nummer 3 2015

2

Verkeer, Wegen & Mobiliteit

Nieuwe inzichten op effectiviteit carbon en stalen asfaltwapening

Gewapende feiten over asfaltwapening

Over asfaltwapening wordt veel beweerd en misschien is er bij deskundigen daarom de nodige discussie over het wel of niet zinvol toepassen hiervan in asfaltverhardingen.

TPA Nederland en SGS INTRON hebben op verzoek van de leverancier/aannemer een proefopzet ontwikkeld voor de toepassing van carbon en stalen asfaltwapening in asfaltwegen en voor

de vergelijkbaarheid en uitwisselbaarheid ervan. Dit mede ingegeven door de vraag van wegbeheerders over hoe om te gaan met gelijkwaardigheid als het gaat om asfaltwapening op basis van staal en/of carbon. En zo worden hopelijk nieuwe inzichten over wapening verkregen.

Er is in vakliteratuur en brochures veel informatie te vinden over asfaltwapening en de werking ervan in asfalt. Het probleem is dat dit niet op elkaar is afgestemd of af te stemmen is. Allereerst zijn er verschillende soorten wapening

Figuur 1 en 2: Schematische voorstelling vorm/structuur wapeningsnetten staal en carbon (ontwerp Coppen CM)

Asfaltplaten na buigtest

(staal, kunststof, glas, polyester, nylon, carbon, etc.) met verschillende para­meters zoals bijvoorbeeld doorsnede, wapeningshoeveelheid per doorsnede en E­moduli. Er zijn diverse laboratoriumonderzoeken

met betrekking tot dit onderwerp die weliswaar interessante resultaten laten zien, maar die niets of niet alles zeggen over de echte effecten ervan in werkelijke asfaltconstructies. En daarbij komt dat deze meetdata (nog) niet verantwoord kunnen worden gebruikt in betrouw­bare, geaccepteerde rekenmodellen. Kortom, het is lastig om wapeningspro­ducten sec te beoordelen, en nog moei­lijker om de onderzoeksresultaten in combinatie met asfaltbeton te beoordelen en te vergelijken. Dat zou toch anders moeten.

Asfaltwapening is bedoeld om asfalt­betonconstructies hoogwaardiger en sterker te maken en meer weerstand te geven tegen trek­ en/of buigbelastingen door het verkeer en/of de ondergrond.

Testen asfaltplaat met wapening

nummer 3 2015

3

de werkelijkheid. Bij dit onderzoek worden daarom op voorhand enkele relevante kanttekeningen geplaatst:­ de belastingsnelheid bij de proef is

lager dan die van verkeersbelasting en hoger dan die van kruip/zetting/bodemdeformatie;

­ de belastingssnelheid is vrij hoog ingesteld om deformatie onder het eigengewicht van de asfaltplaat zo veel mogelijk te beperken;

­ er is gekozen voor een statische belasting, terwijl in de weg de belas­ting in principe dynamisch is;

­ het is een indicatief onderzoek met als doel de werking van wapening aan te tonen.

Figuur 3: Belasting wegverharding door autowiel, hoofdwapening loodrecht op rijrichting

(ontwerp Coppen CM)

Figuur 4: Schematische weergave driepuntsbuig-

proef gewapende asfaltplaat (ontwerp Coppen CM)

Ook wordt asfaltwapening gebruikt om scheurgroei te voorkomen of te vertra­gen, om verbredingen van wegen te realiseren zonder afschuiven van de verbreding van de oorspronkelijke weg. Het is dan ook onmogelijk om met één simpele proef al die aspecten goed te karakteriseren. In dit onderzoek is vooral gezocht naar een onderbouwd antwoord op de vraag of asfaltwapening werkt in een asfaltconstructie die aan buigbelas­tingen onderhevig is. Dit sluit enigszins aan op de de wijze waarop de stijfheid van niet­gewapend asfalt wordt bepaald ten behoeve van de CE­markering van asfalt, al is hier sprake van dynamische buigtesten. Daarnaast moet dit onder­zoek een meer gefundeerd antwoord geven of er gelijkwaardigheid is in asfaltwapeningsnetten van staal en carbon in relatie tot de toepassing ervan in een asfaltconstructie.

Anders kijken naar asfaltwapeningWat is de werkelijke invloed van asfalt­wapening op het scheurgedrag van asfalt? Een weg buigt als het ware steeds even door als gevolg van dynamische verkeersbelasting. Asfaltconstructies hebben dan ook vaak structurele schade (scheurvorming) in de sporen van de rijstrook. Voor het ontstaan van scheuren in asfalt zijn tal van mogelijke oorzaken, bijvoorbeeld: ­ herhaalde doorbuiging onder verkeers­

last waardoor vermoeiing ontstaat (te slappe fundering in verhouding tot de verkeersbelasting);

­ ongelijkmatige ondersteuning van het asfaltpakket, waardoor plaatselijk overmatige rek van het asfalt optreedt (zetting ondergrond, naverdichting fundering, overgang verschillende soorten fundering);

­ concentratie van rek of slappe plekken in asfalt (naden in asfalt, scheuren in een starre fundering).

Asfaltwapening in een wegconstructie moet scheurgroei tegen gaan of op zijn minst vertragen, er vanuit gaande dat de scheurvorming van onderuit komt. Om te zien wat het effect is van asfalt­wapening in een proefopstelling is gekozen voor het beproeven van een asfaltplaat met daarin een wapeningsnet. Deze keuze is ingegeven om zo mede de interactie tussen het wapeningsnet en asfaltmatrix (interlocking), die van essentieel belang lijkt, te kunnen

aantonen. Met het interlock­effect wordt bedoeld dat binnen de mazen van een asfaltwapening stenen uit het asfalt­mengsel bijdragen aan het positioneren van en de krachtsverdeling dan wel opname door het wapeningsnet in de constructie. De verwachting is dat een plaatgeometrie met lijnbelasting meer zegt dan het beproeven van een klein deel asfaltwapening in een balk waarbij dan het effect van interlocking nauwe­lijks of niet kan optreden. Randvoorwaarden, uitgangspunten, beperkingenLaboratoriumtests, dus ook deze buigtest op asfaltplaten, zijn een benadering van

Figuur 5: Schematische weergave vierpuntsbuig-

proef gewapenende asfaltplaat (ontwerp Coppen CM)

nummer 3 2015

4

Andere punten bij dit onderzoek die relevant zijn: ­ carbon en stalen wapeningen worden

in dezelfde plaatvorm en onder gelijke condities beproefd;

­ de proef is relatief simpel en snel te herhalen, zodat een goed beeld te verkrijgen is of wapeningen meer­waarde hebben in asfaltplaten;

­ het is daarmee een verantwoorde poging om deze wapeningen als systeem in asfalt onderling te verge lijken.

Driepuntsbuigonderzoek op gewapend asfaltEr zijn van drie gangbare wapeningen in Nederland, van staal en carbon, telkens drie asfaltplaten gemaakt die onder gelijke condities zijn geproduceerd en opgeslagen en onder gelijke omstandig­heden in een plaatbuigproef zijn belast. Als referentie is er een serie ongewa­pende asfaltplaten gemaakt. Relevante informatie over de platen bij het onder­zoek:­ de AC 11 surf asfaltplaten hebben elk

afmetingen van 400 * 600 * 70 mm; ­ de wapening is in de ‘neutrale zone’

gelegd, op 35 mm diepte, in de richting loodrecht op de rijrichting c.q. verdichtingsrichting.

De proeven zijn uitgevoerd door SGS INTRON. Er is in eerste instantie gekozen voor een opstelling van een driepunts(lijns)buigbelasting met de lijnbelasting loodrecht op de hoofddra­den van de wapening, dus in de rijrich­ting. Het doel van het onderzoek is primair gericht op het vaststellen of carbon en stalen wapening in asfaltbeton meerwaarde heeft ten opzichte van ongewapend asfaltbeton, en of er sprake is van een gelijksoortig effect van deze wapeningen in asfaltbeton bij belasting onder zelfde condities.

Dit onderzoek is gericht op de werking van het totale wapeningsnet, niet alleen op de rol van een hoofdwapeningdraad binnen het wapeningsnet. Dit gebeurt naar mening van de onderzoekers bij de zogenoemde ‘pull­out’ proef, een onderzoek waarbij gekeken wordt naar de uittrekweerstand van de hoofdwape­ningsdraad in een asfaltbalk (doorsnede 200 * 40 mm2). Het bezwaar hierop van diverse specialisten op het gebied van wapeningssystemen is dat er hierbij niet

wordt gekeken naar de werkelijke functie en werking van de wapening als totaal­systeem in de asfaltconstructie. Wape­ning in asfalt werkt immers anders dan betonwapening in beton waar individu­ele wapeningsstaven al effect laten zien. Daarom lijkt een plaat met wapeningsnet beproefd op buiging de realiteit meer te benaderen.Ook al omdat de mineralen in het asfalt zich in de mazen van de wapening vastzetten en zo bijdragen aan een verhoging van de weerstand tegen doorbuiging van het gewapende asfalt­beton. De verankering van het wape­ningsnet moet, naar verwachting, wel een belangrijke factor spelen in relatie tot de werking van de wapening in het systeem.

De resultatenDe resultaten van deze buigproef op asfalt met en zonder asfaltwapening laten zien dat gewapend asfaltbeton, zoals verwacht mag worden, een signi­ficant hogere stijfheid heeft dan onge­wapend asfalt en een hogere kracht bij bezwijken. Het type wapening, carbon of staal, lijkt hierbij van minder groot belang. Alle wapeningen die getest zijn laten dit zien, uiteraard met een sprei­ding, binnen een redelijke range, van verkregen meetresultaten. Duidelijk is dat bij de stalen wapening de hoofdwapeningsdraden bij het door buigen niet dezelfde rek vertonen als het asfalt en dus in het asfalt worden getrokken, een effect dat bij carbonwape­ning niet waarneembaar is. VervolgonderzoekBij de eerste serie proeven lag de wape­ning in de neutrale zone en werd dus niet direct in het krachtenspel binnen de plaat aangesproken bij buiging van de plaat; dat gebeurt pas nadat eerste scheuren zijn opgetreden. Over de

bereikte resultaten is met diverse deskundigen binnen en buiten de asfalt branche gesproken. De asfaltexpert twijfelt en stelt dat de wapening bij begin van de belasting geen effect zou hebben. Dit staat echter haaks op de verkregen resultaten, want de stijfheid verbetert bij alle wapeningsnetten. De expert op het gebied van betonwapeningen wijst erop dat wapening in iedere constructie, mits goed aangebracht en juist gepositioneerd, wel degelijk effect heeft en dat dit ook in deze resultaten zichtbaar wordt. Het asfalt rond de wapening en de interlocking zorgen ervoor dat het asfalt beter presteert in een buigproef. En wordt meer sterkte ontwikkeld en meer stijfheid. Er is op grond van deze proeven niet te stellen dat de ene wapening beter scoort dan de andere, ook een belangrijk onderzoeksresultaat overigens. Blijkbaar is het verschil tussen het effect van carbon en staal in asfalt minder groot dan werd gedacht.Er is besloten om een tweede serie proeven uit te voeren, maar dan met een vierpuntsbuigopstelling: in de zone tussen 1/3 en 2/3 van de plaat wordt de buigbelasting dan meer realistisch verdeeld. Er is ook gekozen om de wapening dieper in de asfaltplaat te positioneren, waardoor de werking van wapening eerder tot uiting moet komen. De wapening ligt dan immers direct in de ‘trekzone’ bij buiging van de plaat. Het is interessant om te zien dat de prestaties bij deze aanvullende proef ogenschijnlijk beter worden. De wape­ning wordt blijkbaar eerder aangespro­ken om mee te doen in de krachtsop­name en krachtsverdeling in de constructie. De platen ontwikkelen meer sterkte alvorens te bezwijken. Het is de vraag of dit alleen komt door de andere proefopzet of dat ook de lager gelegen wapening er aan bij draagt. Dit laatste is zeer waarschijnlijk.

nummer 3 2015

5

Figuur 6: Stress-strain diagram driepuntsbuigproef ongewapend versus

gewapend asfalt (Bron: SGS-INTRON/TPA Nederland)

Figuur 7: Stress-strain diagram driepuntsbuigproef (+wapening neutrale zone)

versus vierpuntsbuigproef (+wapening trekzone) (Bron: SGS-INTRON/TPA Nederland)

Vernieuwende onderzoeksmethodeDit onderzoek laat met een andere en vernieuwende onderzoeksmethode zien dat verschillende typen asfaltwapenin­gen (vooralsnog carbon en staal) met elkaar zijn te vergelijken en in hoeverre deze daadwerkelijk bijdragen aan beter gedrag van asfaltconstructies. Daarbij is meer vanuit het totaalsysteem asfalt­wapeningsnet geredeneerd. De belangrijkste conclusie is dat de onderzochte stalen en carbon asfaltwape­ningen positief bijdragen aan de initiële stijfheid en bezwijkkracht bij buigbelastin­gen en dus een meerwaarde hebben als versterking van de plaat. Daarmee kan worden verondersteld dat carbon en stalen wapeningen als systeem ook in de wegcon­structie een positief effect zullen hebben.

Op simpele wijze vergelijkenDe uitgevoerde proeven laten zien dat het mogelijk is om op een vrij simpele wijze asfaltwapeningen onderling te verge­

lijken in een asfaltconstructie. Dit onder gelijke omstandigheden en in een vorm waarbij niet naar één aspect van de wapening wordt gekeken, maar naar de werking van de totale wapening in interactie met het asfalt.Het is van belang om te kijken naar het effect van de wapening in asfalt als totaal. Het kijken naar specificaties en levensduur van de wapening alleen zegt lang niet alles. Het gaat echt om het effect van wapening in wegconstructies.Duidelijk is dat binnen een range carbon en stalen wapeningen vergelijkbaar presteren en in elk geval leiden tot een hogere E­modulus van het monster asfalt­wapening. Er zit natuurlijk spreiding in de verschillende platen met verschillende wapeningen en ook binnen platen met één soort wapening. Dit komt vooral door het gegeven dat de positio­nering van de wapening in de plaat niet exact is vast te leggen en de inhomogeni­teit van de asfaltmatrix. De conclusie is

gerechtvaardigd dat carbon en stalen wapeningen ­ mits goed ingebouwd ­ binnen een bandbreedte eenzelfde meerwaarde zullen hebben in een asfaltverharding. Het gegeven dat de proeven statisch belast zijn uitgevoerd doet daar niets aan af. De weg is veelal dynamisch belast met daarbij ook nog het gegeven dat de asfaltverharding ondersteund is door een fundering. Maar juist omdat een asfalt­pakket met stalen en carbonwapening vóór breukfase een buigstijver totaal blijkt te zijn moet tot meerwaarde leiden bij dynamische belasting omdat de doorbuiging wordt gereduceerd het asfalt na elke belasting weer kan herstellen. n

Ir. A.G. Kneepkens, TPA Nederland,

drs. M. Verweij, ing. M. Delamboy, SGS INTRON