Rafeling in zoab

M. Huurman TU Delft

L.T. Mo

TU Wuhan, China

A.A.A. Molenaar TU Delft

S.P. Wu

TU Wuhan, China

Samenvatting Rafeling is het meest belangrijke schadebeeld aan zoab deklagen. Deze vorm van schade ontwikkelt zich op het niveau van individuele steentjes; meso-schaal. Om de ontwikkeling van zoab met een hogere weerstand tegen rafeling mogelijk te maken zou het mengsel als een constructie op meso-schaal bezien moeten worden. Het materiaal kan dan als constructie worden ontworpen. De ontwerpvariabelen bestaan in een dergelijk geval uit: het type steen, het type bitumen en de volumetrie van het mengsel (verdichting en recept). De bijdrage bespreekt de eerste resultaten van een dergelijke aanpak en toont dat modellering van zoab op meso-schaal heel goed mogelijk is. Inzicht in spanningen en rekken binnen het materiaal wordt verkregen. De voorgestelde aanpak vraagt echter om materiaaldata op meso-schaal. Deze data is vooral ten aanzien van de hechtlaag (adhesie) tussen steen en mastiek niet voorhanden. Een onderzoeksprogramma dat moet resulteren in volledig inzicht in de (mechanische) fenomenen binnen zoab die leiden tot rafeling wordt beschreven. Met de uitvoering van dit programma is reeds begonnen. Metingen aan de adhesive zone tussen steen en mastiek vinden nu plaats. Trefwoorden Rafeling, eindige elementen methode, meso-mechanica, zoab, adhesie.

1 Inleiding Rafeling is het meest belangrijke schadebeeld aan zoab deklagen. Duidelijk is dat rafeling een materiaalschade is die niet kan worden opgelost met structureel wegontwerp. De auteurs zijn van mening dat kennis van het gedrag van zoab op meso- schaal een wezenlijke bijdrage kan leveren aan de ontwikkeling van zoab met een geringere gevoeligheid voor rafeling. Om deze reden is het Laboratorium Weg- en Railbouwkunde van de TU Delft in samenwerking met het Materials Key-laboratory van de TU Wuhan in China een onderzoek begonnen dat langs de route van meso- mechanica en structureel materiaalontwerp moet eindigen in een beter begrip van rafeling in zoab. Het onderzoek richt zich op twee punten:

- Materiaalmodellering op Meso-niveau - Laboratoriumtesten op Micro-niveau

Uitvoering van het onderzoek zal naar verwachting nog vier jaar verlangen. Toch zijn er op dit moment al interessante resultaten te melden. De bijdrage beschrijft eerst de gedachten achter het onderzoek waarna eerste resultaten worden besproken. Een korte beschrijving van het onderzoeksplan voor de komende jaren volgt, waarna wordt ingegaan op niet mechanische effecten. De bijdrage sluit af met enige conclusies. 2 Constructief ontwerp Algemeen Bij het constructief ontwerpen van constructies staat de responsberekening centraal. Met deze berekening wordt inzicht verkregen in de spanningen en rekken die op verschillende plekken in de constructie ontstaan. De resultaten van een responsberekening zijn in zeer hoge mate afhankelijk van drie factoren:

- de belasting, - de constructie-geometrie, - het materiaalgedrag.

Wanneer de genoemde factoren voldoende nauwkeurig worden gemodelleerd leiden responsberekeningen tot zeer nauwkeurige resultaten. Bij het constructief ontwerp wordt de ontwikkeling van schade in de diverse materialen op basis van de berekende spanningen en rekken voorspeld. Indien de ontwikkeling van schade te groot is wordt de constructie-geometrie aangepast of wordt de materiaalkeuze bijgesteld. Wegontwerp Bij het constructief ontwerp van wegen wordt de geschetste methode voor sommige typen van schade toegepast. In de praktijk wordt bijvoorbeeld vaak van een meerlagenprogramma (BISAR,

2

CIRCLY) gebruik gemaakt om de rekken in het asfalt en de ondergrond te berekenen. Op basis van de berekende rekken wordt vervolgens gespeeld met laagdikten en materialen, en wel zodanig dat uiteindelijk een constructie wordt gevonden met voldoende draagkracht (weerstand tegen vermoeiing en secundaire spoorvorming). In het geschetste type berekeningen is de wielbelasting geschematiseerd tot een gelijkmatig verdeelde verticale belasting op een cirkelvormig oppervlak. Ook de geometrie van de verharding is sterk vereenvoudigd. In de horizontale richting lopen alle lagen tot in het oneindige door, zodat alleen de dikte van de diverse lagen hoeft te worden ingevoerd. Het gedrag van de materialen in de constructie is vereenvoudigd tot lineair elastisch gedrag zodat alleen vaste bulkstijfheden behoeven te worden ingevoerd. De vereenvoudigingen zijn dermate zwaar dat de geschetste berekeningen inzicht geven in het globale gedrag van constructies. Door de vereenvoudigingen (in belasting, geometrie en materiaalgedrag) zijn details niet zichtbaar. Zo blijven vormen van schade aan het wegoppervlak of direct hieronder ongrijpbaar. Inzicht in dergelijke vormen van schade als rafeling en primaire spoorvorming vragen om meer gedetailleerde modellen. Schaal Uit het voorgaande kan worden opgemaakt dat er een relatie bestaat tussen de schaal van mechanische modellen, het type invoer dat ze verlangen en het niveau van detail in de uitvoer. De onder “wegontwerp” geschetste berekeningswijze beziet de wegconstructie geometrisch op macro-niveau, verlangt invoer omtrent het gedrag van materialen op bulk-niveau en ziet

ontwikkeling van schade op macro-niveau. De mate van detail met betrekking tot schade is dus gelijk aan de mate van detail in het gebruikte constructieve model. Het materiaalgedrag dat moet worden ingevoerd ligt één schaalniveau lager dan het gebruikte constructieve model. Macro Meso Micro

Figuur 1: Verschillende schaalniveaus.

Rafeling in zoab Rafeling in zoab is een vorm van schade op een schaalniveau van individuele steentjes, meso-schaal. Om inzicht in deze vorm van schade te krijgen zal dus gebruik gemaakt moeten worden van constructieve modellen met een geometrische schaal die overeenkomt met de schaal van het probleem. Meso-mechanische modellen dus, waarin individuele steentjes worden onderscheiden. Hierdoor zal ook de belasting op meso- schaal beschreven moeten worden. Individuele steentjes aan het wegoppervlak moeten worden belast met kleine krachtjes. De benodigde materiaalkarakterisering ligt nu weer een schaalniveau lager dan het constructieve model. Dit betekent dat het gedrag van de materiaalcomponenten (mastiek, steen) bekend moeten zijn. Om de interactie tussen de twee materiaalcomponenten (adhesie) in het model op te kunnen nemen is invoer met betrekking tot materiaalgedrag op micro-niveau nodig.

3

3 Beschrijving van het onderzoek Doel Het einddoel van het onderzoek is te komen tot een mechanisch constructief model waarmee het mogelijk zal zijn om materiaalmengsels te ontwerpen met het oog op schade hoog in de constructie (rafeling en spoorvorming). Dit model op meso-schaal vraagt hierdoor om modellering van de belasting op meso-schaal en materiaalinvoer op micro-niveau. Omdat wordt voorzien dat de ontwikkeling van een dergelijk model een lang traject zal verlangen, is besloten om de basisgedachten eerst te verifiëren aan hand van rafeling in zoab. Constructief Geometrische Modellering Om de ontwikkeling van het gewenste meso-mechanisch constructief model voor het ontwerp van zoab mogelijk te maken moet in detail inzicht worden verkregen in de fenomenen die binnen het materiaal aanleiding geven tot rafeling. Om dit inzicht te krijgen wordt gebruik gemaakt van bestaande eindige elementen pakketten. De geometrische modellering van zoab is met de huidige eindige elementen pakketten wellicht zeer complex, maar op zichzelf goed mogelijk. Een probleem is echter dat er sprake is van een 3D-probleem en dat het oplossen van 3D-problemen veel computerkracht verlangen. Om de problemen met eindige elementen modellering van zoab te verkleinen zal in het onderzoek gebruik worden gemaakt van drie modellen. Het eerste model is een 3D model van geïdealiseerd zoab. De steentjes in dit model zijn volledig rond. Het tweede model is een 2D model van geïdealiseerd zoab. Opnieuw zijn de steentjes volledig rond. Het derde model is een 2D model op basis van scanbeelden van zoab. Het derde model is dus weliswaar 2D, maar het beschrijft geometrisch wel het werkelijke materiaal. De twee eerst genoemde modellen zijn reeds ontwikkeld (CAPA-3D), zie figuur 2. Uit de vergelijking van de resultaten van het 3D model van geïdealiseerd zoab en het 2D model

1) 3D model (geïdealiseerd zoab) 3) 2D model (zoab scan) 2) 2D model (geïdealiseerd zoab)

Figuur 2: Uit de combinatie van drie modellen kan een volledig inzicht worden verkregenvan de fenomenen die binnen zoab een rol spelen bij het ontstaan van rafeling.

4

van geïdealiseerd zoab wordt inzicht verkregen in de effecten van 2D modellering. Vergelijking van het 2D model van geïdealiseerd zoab met het 2D model op basis van de scanbeelden geeft inzicht in de effecten van de idealisatie. Gezamenlijk geven de modellen dus een volledig beeld van de fenomenen die binnen zoab een rol spelen. Modellering van de belasting De steentjes in het zoab worden bij elkaar gehouden door mastiek. Mastiek gedraagt zich visco-elastisch en heeft dus een tijdsafhankelijke component in haar reactie op belasting. Om deze reden zal de gemodelleerde zoab, net als de werkelijke zoab, een in de tijd variërende belasting moeten ondergaan. Op de schaal van de modellen is geen sprake van een bewegende last. De onderzijde van een band staat, tenzij er sprake is van slip, immers stil op het wegoppervlak. Wel zal het zo zijn dat de belasting op een individueel steentje snel toeneemt direct nadat het rubber van de band het steentje raakt. Vlak voordat het rubber op een steentje, door het voortrollen van de band, wordt opgelicht neemt de belasting op het steentje heel sterk af. Deze belasting kan niet als bulkspanning worden aangebracht en moet als krachtjes op individuele steentjes worden overgedragen. Uit de literatuur zijn meetgegevens onttrokken die in detail inzicht geven in de belasting van banden op het wegdek. De krachtjes die door banden op individuele steentjes worden overgedragen zijn gemeten [De Beer 1995; Woodside 1999]. De metingen hebben duidelijk aangegeven dat de textuur van het oppervlak invloed heeft op de krachtjes per steentje. De metingen zijn verricht met kunstmatige, beïnstrumenteerde rechthoekige steentjes. De omvang van de sensoren die de metingen mogelijk maakten zijn een beperking geweest waardoor slechts één steentje van 5 mm bij 5 mm (25 mm2) kon worden opgenomen in een gebiedje van 13.18 mm bij 13.18 mm (174 mm2). Bij de metingen vertegenwoordigde ieder steentje dus een oppervlak dat bijna 7 maal groter was dan het oppervlak van het steentje zelf. Duidelijk is dat een dergelijke verhouding niet realistisch is. Om deze reden wordt aan de omvang van de gemeten krachtjes getwijfeld. De gemeten signaalvormen over de tijd zijn echter zeer bruikbaar en daarom overgenomen. De omvang van de krachtjes op individuele steentjes wordt echter gebaseerd op gemeten contactspanningen [Groenendijk 1998]. De contactspanning wordt hiertoe vermenigvuldigd met het oppervlakje waarin een individueel steentje zich bevindt en het hieruit bepaalde krachtje wordt geconcentreerd op het steentje aangebracht.

Combined time functions

-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

11.21.41.6

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14time [s]

Bul

k st

ress

[Mpa

]

sig xxsig yysig zz

Figuur 3: Belasting op individuele steentjes. (signaalvorm op basis van gemeten steenkrachtjes, signaalgrootte op basis van gemeten contactspanningen).

5

Materiaalgedrag Vooralsnog zijn aan de steentjes lineair elastische eigenschappen toebedeeld. De stijfheid van de steentjes is hoog (E=50,000 MPa), waardoor vervormingen in de steentjes beperkt blijven. Bij de modellering van de mastiek is gebruik gemaakt van een niet lineair visco-elastisch materiaalmodel met schade-ontwikkeling. De parameters voor dit model zijn vooralsnog zodanig gekozen dat het model overeenkomt met het bekende lineair visco-elastische Burgers’ model. Er is voor gekozen om de schade-ontwikkeling slechts zeer weinig invloed te geven. Bij de berekeningen die totnogtoe zijn gemaakt zijn twee typen bitumen bij twee temperaturen beschouwd, zie tabel 1. De vermelde bitumeneigenschappen zijn gebaseerd op metingen [Hagos, 2002]. De eigenschappen van de mastiek zijn bepaald uit de bitumeneigenschappen. Gebruik is hierbij gemaakt van een uit de literatuur verkregen relatie tussen bitumenstijfheid en mastiekstijfheid [Heukelom, 1973].

Elastic Viscous Visco-elastic

E0, ν0 λ∞, ν∞ Ε1, λ1, ν1 Εn, λn, νn

Figuur 4: Schematische weergave van het visco-elastische model.

Tabel 1: Eigenschappen van bitumen en mastiek (50 v/v% bitumen).

PEN 70/100 SBS (L)7% PEN 70/100 SBS (L)7% PEN 70/100 SBS (L)7% PEN 70/100 SBS (L)7%

E0 [MPa] 2.00E+02 8.50E+01 9.89E+02 4.53E+02 2.00E+02 8.50E+01 9.89E+02 4.53E+02

E1 [MPa] 1.50E+00 5.00E-02 7.42E+00 2.67E-01 1.50E+00 5.00E-02 7.42E+00 2.67E-01

λ1[MPa.s] 8.67E-03 6.86E-02 4.28E-02 3.66E-01 3.81E-04 2.96E-03 1.88E-03 1.58E-02

λinf [MPa.s] 8.67E-02 1.01E+01 4.28E-01 5.40E+01 3.81E-03 4.36E-01 1.88E-02 2.33E+00

Burgers'Parameters

Bitumen Mastiek Bitumen Mastiek25 0C 40 0C

Ook de hechtlaag tussen mastiek en steentjes is in de modellen opgenomen. Hiertoe zijn InterFace elementen gebruikt. Deze elementen hebben een hoge stijfheid. 4 Resultaten Het werk dat totnogtoe is verricht is vooral gericht op het opstellen van een gedegen onderzoeks-programma en het verkrijgen van inzicht in de haalbaarheid van het onderzoek. Hierna worden de verkregen resultaten kort besproken en in perspectief gezet. De nadruk ligt hierbij op de fenomenen die plaatshebben in het hechtvlak tussen mastiek en steen. 3D model Het besproken 3D model vraagt veel rekentijd en is daardoor niet praktisch inzetbaar. Het model zal daarom alleen worden gebruikt om inzicht te krijgen in de gevolgen van 2D modellering. Het model draait echter probleemloos.

6

Figuur 7: Het verloop van spanningen in de hechtlaagop drie locaties tijdens de passage van tweeassen.

0.0

0.2

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4normal stress [Mpa]

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

shea

r str

ess

[MPa

]

0

1

2

3

4

5

6

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05time [sec]

Von

Mis

es s

tres

s [M

Pa]

Figuur 6: Verloop van de von Mises spanning in de mastiek op drie plaatsen.

Figuur 5 toont de resultaten van een berekening met het model. De figuur geeft een indicatie van de spanningen in de mastiek. Te zien is dat de het grootste schade-potentieel in het hart van de contactgebieden ontstaat. Figuur 6 geeft een indicatie van het verloop van de von Mises spanning (schade potentieel) in de mastiek op drie plaatsen in de zoab meso-structuur. De figuur toont het effect van twee bandbelastingen, de eerste vrij rollend en de tweede aangedreven. Figuur 7 geeft een indruk van de spanningen die in het hechtvlak tussen

mastiek en steen ontstaan tijdens de passage van dezelfde twee bandbelastingen. De figuren 6 en 7 zijn van groot belang. De figuren geven immers aan dat het mogelijk is om op detailniveau inzicht te krijgen in de spanningen (en rekken) die in de structuur van zoab onder het passeren van een wiellast ontstaan. Inzicht in zowel de spanningen in de mastiek, als de spanningen in de hechtlagen wordt verkregen. Deze spanningen moeten herhaaldelijk kunnen worden doorstaan om cohesief

respectievelijk adhesief falen van het materiaal te voorkomen.

2D model Met het 2D model is in de voorbereidende fase van het onderzoek veel meer gerekend dan met het 3D model. De reden hiervan is puur praktisch; het 2D model rekent snel terwijl het 3D model veel tijd vraagt. Het doel van de berekeningen met het 2D model was om te bezien of verschillen in belasting, geometrie en materiaalgedrag resulteren in vin de respons van het model. Dit is

erschillen

Figuur 5: Een indicatie van spanningen in de mastiekin het 3D model.

7

immers een noodzakelijke voorwaarde om via mechanistisch materiaalontwerp tot verbetevormen van zoab te komen. Bij verschillen in geometrie moet hierbij gedacht worden aan; de volumetrie (mengselontwerp en verdichtingsgraad), korrelvorm en de wijze van korrelstaVerschillen in materiaalgedrag hebben vooral betrekking op het type bindmiddel (straight run bitumen, gemodificeerd bitumen, kunststof).

rde

peling.

veranderen met temper rekend.

llen bezien. De belastinggevallen verschillen significant op twee

nelheid. Bij 22 m/s (bijna 80 km/h) wordt ieder steentje slechts zeer kort belast. Bij 5

2 ppelde lastpulsen. De eerste lastpuls is ls

et

abel 2: Samenvatting van de gemaakte berekeningen.

Tabel 2 geeft inzicht in de berekeningen en de behaalde resultaten. Bij de berekeningen is uitgegaan van de mengselsamenstelling van zoab 0/16 mm. De korreldiameter is in alle berekeningen gelijk aan 9.6 mm. Dit is de equivalente korreldiameter van zoab 0/16 mm. De afstand tussen twee stenen, D (kolom 1) en de dikte van de mastiekfilm, t (kolom 2) is in de berekeningen gevarieerd. Ook de hoek van pakking (kolom 5), zie figuur 8, is gevarieerd. De genoemde variabelen leiden tot variaties in de geometrie van het constructieve materiaal model. Er zijn twee typen bitumen (kolom 3) en twee temperaturen (kolom 6) beschouwd. In tabel 1 is te zien dat de eigenschappen van bitumen atuur. Dit betekent dus dat met vier sets materiaalgegevens is ge

Dit geeft voldoende variaties in de gemodelleerde materiaaleigenschappen. Er zijn twee belastinggeva

Figuur 8: Hoek vanpakking

α

punten: 1 De s

m/s (18 km/h) is de belastingtijd 4,4 x langer. De berekeningen gaan steeds uit van twee gekogebaseerd op de bandbelasting onder een niet aangedreven wiel terwijl de tweede lastpuuitgaat van een aangedreven wiel. Bij de bepaling van de horizontale spanningen die door haangedreven wiel op de verharding worden overgedragen is uitgegaan van een vaste motor output. De aandrijfkrachten (en dus spanningen) zijn bij een snelheid van 5 m/s aldus 4,4 x groter dan bij 22 m/s.

T1 2 3 4 5 6 7 8

D t typebitumen

snelheid hoek vanpakk ing

Temp. σ t,eq σv.M ises

[mm] [mm] [-] [m /s [degr.] [0C] [Mpa] [Mpa]1 10.0 0.45 PEN 70/100 22 45 25 0.323 4.5902 10.0 0.50 SBS (L)7% 22 45 25 0.247 4.4233 10.1 0.50 SBS (L)7% 22 45 25 0.312 4.7214 10.0 0.45 SBS (L)7% 5 45 25 5.549 6.8745 10.0 0.45 SBS (L)7% 22 45 25 0.297 4.5186 10.0 0.45 PEN 70/100 22 49 25 0.178 4.0437 10.0 0.45 SBS (L)7% 22 45 40 0.359 4.3008 10.0 0.45 PEN 70/100 22 45 40 0.370 2.190

abel 2 geeft met de kolommen 7 en 8 inzicht in de belasting van de mastiek tussen twee

uivalente

Tsteentjes en de belasting op het hechtvlak tussen mastiek en steentjes. De belasting van de mastiek is uitgedrukt in de von Mises spanning, σv. Mises (kolom 8). De belasting van de hechtlagen (adhesie) is uitgedrukt in de equivalente trekspanning σt, eq. (kolom 7). De eqtrekspanning is bepaald uit de schuif- en normaalspanningen in de hechtlaag. Omwille van de

8

omvang van deze bijdrage wordt slechts opgemerkt dat dit is gebeurd op basis van Mohr-Coulomb faalgedrag uitgaande van een hoek van 45o. Bestudering van tabel 2 leidt tot de conclusie dat constructieve meso-mechanische

lasting.

draagt

it de gevallen 2, 3 en 5 kan worden opgemaakt dat het gedrag van zoab verbetert met te)

van

et is moeilijker om te bezien of de invloed van materiaalgedrag (bindmiddel) op de respons van

spanningen

omen is de sterkte van mastiek afgeschat op basis van in

omdat de

e beoord aag bleek zonder eigen testresultaten niet

mogelijk. In de literatuur zijn geen bruikbare c.q. betrouwbare modellen gevonden waarmee de sterkte van hechtlagen bepaald kon worden.

materiaalmodellen leiden tot logische resultaten met betrekking tot geometrie en beIn vergelijking tot alle andere berekeningen leidt geval 4 immers tot veruit de hoogste spanningen. De grote schuifspanningen die het aangedreven wiel op de verharding oververtalen zich dus in hoge spanningen in mastiek en hechtlaag. Vooral de hechtlaag wordt in eendergelijk geval ernstig belast (adhesief falen). Uverdichting (geval 2 en 3) en dat een afname van de hoeveelheid mastiek (bitumengehalresulteert in een verslechtering van het gedrag van zoab. De grootste invloed blijkt de hoek pakking te hebben. Een geringe toename van de hoek van pakking leidt tot een forse afname vande spanningen in mastiek en hechtlagen. Het model is aldus logisch gevoelig voor de geometrie van de materiaalstructuur. Hhet model logisch is. Met het veranderen van de respons eigenschappen (in dit geval de Burgers’ parameters) veranderen immers ook de sterkte eigenschappen. Het is bij veranderd materiaalgedrag dus niet mogelijk om conclusies te trekken op basis van berekende zonder rekening te houden met sterkte. Om toch tot een vergelijking te kunnen kde literatuur gevonden voorspellende modellen. De resultaten van deze exercitie zijn gegeven in figuur 7. Het linker deel van de figuur geeft de berekende von Mises spanning en de uit literatuurafgeleide sterkte. De rechter zijde van de figuur geeft de spanningsratio. Uit de figuur kan worden geconcludeerd dat cohesieve rafeling een lage temperatuur probleem is en dat de SBS gemodificeerde bitumen hier minder gevoelig voor is dan de PEN 70/100 bitumen. DitSBS gemodificeerde bitumen slechts weinig temperatuursafhankelijkheid vertoont.

01

234

567

89

15 20 25 30 35 40 45Temperatuur [0C]

Von

Mis

es s

pann

ing/

ster

kte

[MP

a]

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

15 20 25 30 35 40 45Temperatuur [0C]

Faal

ratio

[-]

sterkte

Berekende spanningPEN 70/100

SBS (L)7%

SBS (L)7%

PEN 70/100

Figuur 9: Berekende von Mises spanning in de mastiek relatie tot de sterkte voor verschillende materiaal parameters.

D eling van de spanningen in de hechtl

9

5 Onderzoeksplan Het hiervoor beschreven werk geeft aan dat het zeer goed mogelijk is om een materiaal als zoab

echanistisch te ontwerpen op basis van een meso-mechanisch constructief model. Dit model oet gevoed worden met verschillende parameters.

mengselrecept aangevuld met enkele CT

de

wee

de ters (Burgers’ parameters) van mastiek en bitumen worden afgeleidt.

etten. Op basis van deze meetresultaten kan het gedrag van korrel-korrel

Gec teen contacten voldoende nauwkeurig worden vastgelegd. Dit betekent dat spanningen en rekken in het meso-mechanische zoab mengsel met voldoende nauwkeurigheid bepaald kunnen worden.

lling

rden

ne tussen mastiek en steen.

Bij t eers n eindige elem ring

idt tot goede resultaten. een

odellering van stenen wordt hierdoor rekenkundig een stuk goedkoper

mmDe belastingparameters kunnen naar verwachting met behulp van in de literatuur aangetroffen meetresultaten voldoende nauwkeurig worden bepaald. De parameters met betrekking tot geometrie (volumetrie) liggen voldoende vast met hetscans. De grootste onzekerheid met betrekking tot het mechanistisch ontwerp van zoab wordt gevormd door gebrekkige informatie met betrekking tot het gedrag van de mastiek en de adhesieve zone tussen steen en mastiek. Veel van de onzekerheden kunnen worden weggenomenaan de hand van metingen die momenteel in het laboratorium voor weg- en railbouwkunde vanTU Delft worden verricht. Deze metingen zullen in de toekomst worden gepubliceerd in tpromotierapporten: - Hagos

Hagos heeft metingen verricht aan bitumen en mastiek. Op basis van de metingen kunnen response parame

- MurayaHet werk van Muraya concentreert zich rond het uiteenrafelen van de response van asfaltmengels. Hij heeft hiertoe metingen verricht aan ongebonden en gebonden steenskelcontactpunten worden herleidt. ombineerd met informatie uit de literatuur kan de respons van de mastiek en steen-s

Onbekend blijft echter de ontwikkeling van schade die optreedt onder herhaaldelijke blootsteaan de berekende spanningen en rekken. Ten aanzien van cohesief falen van de mastiek is vooralsnog voldoende informatie beschikbaar uit de literatuur en het werk van Hagos (zie ook figuur 7). Ten aanzien van adhesief falen wordt echter geconcludeerd dat meer nauwkeurige sterkte- en vermoeiingsdata beschikbaar moet komen. Bovendien zal een model moeten woopgesteld dat de schadeontwikkeling in de hechtlagen vastlegt. Het onderzoeksplan concentreert zich dan ook op twee punten:

1 verdere ontwikkeling van de constructieve mechanistische modellen, 2 sterkte- en vermoeiingsmetingen aan de adhesieve zo

he te punt wordt het gedrag van zoab mengsels op basis van de beschreve

enten modellen in detail bestudeerd. Aangetoond moeten worden dat de gekozen benadelePas nadat voldoende inzicht is verkregen zal worden aangevangen met de ontwikkeling van vereenvoudigd constructief meso-mechanisch model. In dit vereenvoudigde model zullen stenen onvervormbaar zijn. De mwaardoor het model veel sneller zal rekenen. Vervormingen zullen zich in het vereenvoudigde model volledig concentreren in de contactzone tussen stenen. De berekeningen met het versimpelde model zullen geometrische niet-lineair zijn, zodat met grote vervormingen in het

10

skelet voldoende rekening gehouden wordt. Tevens zal direct steen-steen contact hierdokunnen worden beschreven. Eerste indicaties zijn dat deze benadering een grote kans van slagen heeft. Figuur 10 geeft bijvoorbeeld aan hoe met een

or netjes

eenvoudige analyse van de vervormingen in de contactzone kan

Bij het tw kkeling an testmethoden centraal staan. Daarna zal

Wuhan in China

an de kproeven

ne en

atische

van schade als functie vae ontwikkeling van schade in de adhesieve-zone

ent

worden aangetoond waarom de grootste belasting van de mastiek in het midden van de contactzone ontstaat.

ε

l

maxεminε

R

R

Force

Moment

Nostrain

Stone-stone contact area Deformation

n-uniform distribution

ε

l

maxεminε

R

R

Force

Momentε

l

maxεminε

R

Rε

l

maxεminε

ε

l

maxεminε

R

R

R

R

Force

Moment

Force

Moment

Nostrain

Stone-stone contact area Deformation

n-uniform distribution

eede punt zal eerst de ontwi

Figuur 10: Een eenvoudige analyse van de vervormingen in demastiek in de contactzone.

vop basis van de meetresultaten een schade-/vermoeiingsmodel voor de adhesieve zone worden opgesteld. Op dit moment is men in het Materials Key-laboratory van de TUbegonnen met de ontwikkeling van testmethoden. Gebruik wordt gemaakt vDMA. Er zullen zowel schuif- als treworden uitgevoerd. Voor de schuifproeven wordt een speciale belastingstool ontwikkeld. Er zullen zowel statische als dynamische schuif- en trekproeven worden uitgevoerd. Met de statische proeven wordt de ontwikkeling van schade in de adhesieve zobepaald. Naar verwachting zijn tijd spanning bij de ontwikkeling van schade maatgevend. Figuur 11 geeft een schemweergave van de proeven. Tevens toont defiguur de verwachte ontwikkelingOp basis van de statische proeven wordt dbeschreven als functie van tijd en spanning. Met deze beschrijving kan ieder willekeurig signaal

n spanning en tijd.

F

FF

F F

F

F

tim e

1t 2t 3t

D

τ

1

tim e

1t 2t 3t1D

σ

F

FF

F F

F

FF

F F

F

F

F

F

tim e

1t 2t 3t

D

τ

1

tim e

1t 2t 3t1D

σ

Figuur 11: Schematische weergave van de statische schuif- en

roeven.trekp

van spanning tegen tijd worden omgezet in de ontwikkeling van schade tegen tijd. Dit betekdat de ontwikkeling van schade in de adhesieve zones in zoab bepaald kan worden op basis van berekende spanningen. Tevens betekent dit dat de schade-ontwikkeling in een dynamische proef

11

kan worden bepaald uit de aangebrachte belasting. Dit biedt de mogelijkheid tot verificatie van het schademodel. De vermoeiingsproef zal immers aanleiding moeten geven tot bezwijken wanneer de voorspelde schade gelijk aan 1 is. Figuur 12 geeft de verificatie procedure schematisch weer. Het resultaat van succesvolle

itvoering van het genoemde

de ica van zoab.

rpen is van

gen

riaalgedrag (mastiek en adhesieve zone). - de voor het bepalen van de eigenschappen van de adhesieve

t

gelijk aanzet tot de ontwikkeling van dit model.

Niet mechanische effecten

or ha teriaal dat volledig blootstaat aan de elementen. Hierdoor al de mastiek (bitumen) relatief snel verouderen. Bovendien zal de adhesieve zone tussen steen

e adhesieve zones. Zo zal de mastiek naar

ent

uonderzoeksvoorstel zal naar verwachting zijn:

- Volledig inzicht inmechan

- Bevestiging van de gedachte dat zoab mechanistisch ontwokan worden op baseen meso-mechanisch constructief model. Dit betekent dat de spanninin de materiaalstructuur (bij gegeven belasting) een functie moeten zijn van geometrie (volumetrie, korrelvorm, etc) en mateEen werkbare testmethozones tussen steen en mastiek.

σσ

( )11

DN =∧??∧

N

Monotonic

N

D

τ

F

FF

F F

Dynamic

τ

nσ

time

D

τ

nσ

time

D

D(1)

σσ

( )11

DN =∧??∧

N

Monotonic

N

D

τ

F

FF

F F

F

FF

F F

Dynamic

τ

nσ

time

D

τ

nσ

time

D

D(1)

Figuur 12: Verificatie van de schade-ontwikkeling met dynamische schuifproeven.

- Een beschrijvend model dat de ontwikkeling van schade in de adhesieve zone vastlegals functie van tijd en spanning.

- Eisen die gesteld moeten worden aan een vereenvoudigd materiaalmodel op basis van onvervormbare stenen en een mo

- Voorstellen tot verbetering van bestaand zoab.

6

o ar open structuur is zoab een maDzen mastiek gevoelig zijn voor door water geïnitieerde stripping. Beide vormen van materiaalschade hebben een niet mechanisch karakter en kunnen om die reden niet in een mechanische beschrijving worden meegenomen. Echter, de effecten van zowel veroudering als water vertalen zich in een verandering van dmechanische eigenschappen van de mastiek en deverwachting door veroudering verharden/verbrossen, terwijl de mechanische sterkte van de adhesieve zone door de inwerking van water zal afnemen. Door de verandering van de materiaaleigenschappen zal de ontwikkeling van schade met de tijd toenemen. Op enig momzal de combinatie van opgelopen mechanische schade en door weer en wind afgenomenmateriaaleigenschappen leiden tot falen van de meso-structuur, rafeling.

12

Om dus een volledig beeld van de ontwikkeling in rafeling in zoab te krijgen zullen de beschreven mechanische modellen moeten worden aangevuld met tijd gerelateerde ontwikkeling

en de

e en, terwijl de tweede zich zal richten op de

en puur mechanisch robleem. Aandacht zal zeker geschonken worden aan de ontwikkeling van schade door weer en

k

Conclusies

p basis van het hier kort beschreven onderzoeksplan en de bijbehorende eerste resultaten unnen de volgende conclusies worden getrokken:

ende nauwkeurig bekend te zijn. mengsel recepten aangevuld

- dt uit metingen van Muraya.

met de

- voor zoab.

ie geen n veroudering.

t om een tweede

van materiaaleigenschappen. Dit vergt verdergaand mechanisch onderzoek aan mastiek adhesieve zone. Bij dit verdergaande onderzoek zullen de effecten van veroudering en water op de gemeten eigenschappen in kaart gebracht worden. Het volledige onderzoek vraagt dus om twee promovendi. De eerste zal zich voornamelijk met dontwikkeling van de mechanische modellen bezighouduitvoering van metingen. Op dit moment is slechts een promovendus beschikbaar en daarom wordt nu vooral aandacht geschonken aan de ontwikkeling van de theorie. De auteurs hechten er echter aan op te merken dat ze rafeling niet zien als epwind. Ook hierbij zal zeker weer gebruik worden gemaakt van in de literatuur gerapporteerd wervan derden. 7 Ok

- Meso-mechanische modellering van zoab lijkt mogelijk. - De belasting op meso-schaal lijkt voldo- De constructieve geometrie van zoab lijkt is op basis van

met scan beelden voldoende nauwkeurig bekend te zijn. - Over het gedrag diverse materiaalcomponenten is onvoldoende bekend.

Het gedrag van steen-steen contacten kan worden afgelei- Het gedrag van Mastiek kan worden afgeleidt uit metingen van Hagos. - Bepaling van het gedrag van de adhesieve zone vraagt om eigen metingen. In het

Materials Key-laboratory van de TU Wuhan in China is men begonnen ontwikkeling van testmethoden. Het voorliggende onderzoek zal resulteren in een werkbare en geverifieerde mechanistische ontwerpmethode

- De methode zal een sterk mechanisch karakter hebben en zal in eerste instantrekening houden met de effecten van water e

- Om ook de effecten van veroudering en water in de methodiek mee te nemen zal verder (materiaal) onderzoek moeten plaatsvinden. Dit vraagonderzoeker.

13

Literatuur De Beer, M., 1995,

Development of Tyre/Pavement Interface Stress Under Moving Wheel Loads, CSIR. Woodside, A.R., Woodward, W.D.H., Siegfried, C., 1999,

The Determination of Dynamic Contact Stress, APT Conference Reno Groenendijk, J., 1998,

Accelerated Testing and Surface Cracking of Asphaltic Concrete Pavements, PhD Thesis, Delft University of Technology

Hagos, E.T., 2002, “Characterisation of Polymer Modified Bitumen (PMB)”, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Delft, the Netherlands.

Heukelom, W, Wijga, P.W.O., 1973, Bitumen Testing, Koninklijke/Shell-Laboratorium, Amsterdam, the Netherlands.

14