Issuu on Google+

Simulatie van vorstschade in asfaltmengsels Dr. ir. Niki Kringos Group of Mechanics of Infrastructure Materials, TU Delft Ir. Cor Kasbergen Group of Mechanics of Infrastructure Materials, TU Delft Dr. ir. Tom Scarpas Group of Mechanics of Infrastructure Materials, TU Delft

Samenvatting Bij de extreme weersomstandigheden van de afgelopen winter is er zeer grote vorstschade aan het wegdek ontstaan. De lage temperaturen maken het bindmiddel in het asfalt brozer en verzwakt de binding met de aggregaten. De lange conditionering van een vochtige omgeving heeft er tevens voor gezorgd dat er door het gehele asfalt een watergradiĂŤnt aanwezig is die grote gevolgen kan hebben voor het optreden van schade op lage temperaturen. In deze bijdrage worden de resultaten van een eindig elementen studie naar vorstschade in asfaltmengsels gepresenteerd. Hierin wordt eerst gekeken naar vochtinfiltratie in asfaltmengsels en zal ingegaan worden op de gebreken van de huidige waterschade gevoeligheid test. Door vochtinfiltratie in realistische eindige elementen modellen van asfaltmengsels te simuleren wordt duidelijk waarom er soms een groot verschil gevonden wordt tussen de gemeten vochtgevoeligheid van asfaltmengsels in het laboratorium en het gedrag in de praktijk. Dezelfde eindige elementen modellen worden vervolgens onder het vriespunt gebracht om zo de schadeformatie door bevriezing te simuleren. Uit deze analyse blijkt dat ongeconditioneerde (of: vocht ongevoelige) mastiek veel lagere spanningen opbouwt en in staat is om veel meer energie te absorberen bij dezelfde lage temperaturen. Terwijl geconditioneerde (vochtgevoelige) mastiek veel meer spanningen opbouwt en dus ook meer vorstschade zal tentoonspreiden.

1


1. Vorstschade in relatie tot waterinfiltratie Bij de extreme weersomstandigheden van de afgelopen winters is er zeer grote vorstschade aan het wegdek ontstaan, Figuur 1. De meeste verklaringen gegeven in de media leken te focussen op het feit dat bij lage temperaturen het bindmiddel in het asfalt brozer wordt. Vanuit onderzoek gedaan bij de Infrastructuurmaterialen Mechanica Groep op de TU Delft is echter gebleken dat de langdurige verzwakking door vochtinfiltratie gecombineerd met extra spanningen die optreden door de faseverandering van water naar ijs rond het vriespunt, tevens een grote rol spelen. Door langdurige vochtinfiltratie kan zowel de mastiek als de hechting tussen de mastiek en de aggregaten namelijk aanzienlijk verzwakken [Kringos et. al 20072009]. De extra spanningen die optreden door de uitzetting van het ijs kunnen daarbij de doorslag geven, en kleine scheurtjes kunnen zich snel doorzetten tot de ernstige rafeling zoals zichtbaar werd deze winter.

Figuur 1: Vorstschade afgelopen winter [Van der Pijl en Voskuilen, 2010]

In deze bijdrage wordt daarom eerst gekeken naar vochtinfiltratie in asfaltmengsels en zal ingegaan worden op de gebreken van de huidige waterschade gevoeligheid test. Door vochtinfiltratie in realistische eindige elementen modellen van asfaltmengsels te simuleren wordt duidelijk waarom er soms een groot verschil gevonden wordt tussen de gemeten vochtgevoeligheid van asfaltmengsels in het laboratorium en het gedrag in de praktijk. Dezelfde eindige elementen modellen worden vervolgens onder het vriespunt gebracht om zo de schadeformatie door bevriezing te simuleren. 2. Vochtinfiltratie in asfaltmengsels Variabiliteit in de ITT methode De standaard methode om waterschadegevoeligheid van asfaltmengsels in kaart te brengen is vooralsnog via het meten van de stijfheid van een cilindrisch proefstuk onder droge en geconditioneerde condities met een Indirect Tension Test (ITT), Figuur 2. De ‘Tensile Strength Ratio’ (TSR) geeft in deze procedure dan een indicatie van de vochtgevoeligheid. Het is echter al langer bekend dat deze test variabele resultaten geeft en vaak niet in staat is om een goede voorspelling te doen van de waterschade gevoeligheid in de praktijk [Aschenbrener et.al 1995, Epps et.al 2000, Solaimanian et.al 2007].

2


In samenwerking tussen het AASHTO Materials Reference Laboratory en de Infrastructuurmaterialen Mechanica Groep van de TU Delft is er onderzoek uitgevoerd om te verklaren waarom deze test vaak de plank misslaat en wat er mogelijk aan verbeterd kan worden.

Figuur 2:Indirect tension test

Voor dit onderzoek zijn verschillende proefstukken gemaakt en verdicht met zowel de Marshall hamer als de Gyrator methode. Twee verschillende aggregaten zijn hiervoor uitgekozen, een sandstone uit Maryland, die bekend staat om zijn hoge vochtgevoeligheid in de praktijk, en een minder gevoelige limestone uit Pennsylvania. Voor beide mengsels is hetzelfde niet gemodificeerde 64-22 bitumen gebruikt. De maximale nominale aggregaat was 12.5 mm en de mastiek bestond uit 5.4 % (per gewicht) sandstone en limestone fijnstoffen (#200 zeef) en 5.2% (per gewicht) bitumen. Beide mengsels waren verdicht tot 7 Âą 0.5 poriĂŤn. Voor ieder mengsel zijn 12 proefstukken gemaakt, waarbij 6 met de Marshall hamer en 6 met de Gyrator verdicht zijn. De helft van de proefstukken zijn volgens de standaard procedure geconditioneerd en de andere helft zijn direct getest. Meer details over de testprocedure kunnen gevonden worden in [Kringos and Azari, TRR, 2009]. In Tabel 1 staan de gemiddelde waarden van de proeven samengevat. Tabel 1: Resultaten Tensile Strength Ratio (TSR)

TSR [-]

Maryland Sandstone Marshall hamer Gyrator 0.91 0.95

Pennsylvania Limestone Marshall hamer Gyrator 0.82 1.06

Op basis van deze waarden zou normaal gesproken geconcludeerd worden dat het asfalt mengsel met de zandsteen een beetje gevoelig is voor waterschade. Bij het limestone mengsel zou het mengsel dat verdicht was met de Marshall hamer als relatief vochtgevoelig aangemerkt worden, terwijl hetzelfde mengsel dat met de Gyrator verdicht was als ongevoelig geclassificeerd zou worden. Uit de praktijkervaring met deze mengsels is bekend dat het eerste (zandsteen) mengsel vochtschade problemen geeft, terwijl het tweede (limestone) mengsel zich goed houdt. Dus in navolging op eerdere conclusies laat ook deze data zien dat de test niet erg betrouwbaar is. Dit wordt tevens bevestigd in een precision estimate studie uitgevoerd door AASHTO binnen het NCHRP 9-26A project, waaraan meer dan 50 laboratoria deelnemen. Om echter te begrijpen wat de achterliggende verklaring van de onbetrouwbaarheid is, zijn de verschillende mengsels, voordat ze getest werden, gescand met een X-Ray CT scanner om

3


realistische drie dimensionale eindige elementen modellen te maken. Deze zijn vervolgens gebruikt om dezelfde vochtinfiltratie als in de ITT test te simuleren. Hiervoor is gebruik gemaakt van de eindige elementen software RoAM (Raveling of Asphaltic Mixes) [Kringos 2007], als integraal onderdeel van het eindige elementen pakket CAPA-3D [Scarpas 2005]. Generatie van realistische eindige elementen meshes Na het scannen van proefstukken worden de 2D X-Ray scans geassembleerd tot 3D eindige elementen meshes, waarbij, afhankelijk van de resolutie van de scans (en de scanner), redelijk accuraat onderscheid gemaakt kan worden tussen de verschillende materialen, Figuur 3.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 3: Eindige element meshes gegenereerd uit X-Ray scans (a) totale proefstuk (b) steen & mastiek (c) alle poriën (d) buiten poriën (=niet in verbinding met het midden van het proefstuk)

Naast het maken van gedetailleerde micromechanische analyses, is het bijkomende voordeel van het creëren van eindige elementen op deze wijze, dat er meer informatie beschikbaar is over de distributie van de poriën binnen het proefstuk. Aangezien in de Indirect Tension Test het midden van het proefstuk beproefd wordt op de breuksterkte, is het belangrijk om te weten of het water ook daadwerkelijk hier komt. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat door een clustering van de poriën aan de buitenkant van de proefstukken de meeste waterschade aan de buitenkant –weg van het midden- optreedt (in het vervolg“buiten poriën” genoemd), en daarom niet gemeten wordt in de proef. Hierdoor kan een vochtschade gevoelig asfalt mengsel dus als niet vochtgevoelig uit de ITT komen.

4


Om een beter idee te krijgen van de distributie van de poriën bij de verschillende verdichting methoden, zijn de EEM meshes opgedeeld in 8 delen, Figuur 4 . In elk deel is gekeken naar de distributie van de poriën. Uit deze analyse volgt dat de Gyrator proefstukken een hoger percentage poriën aan de ‘bovenkant’ van het proefstuk heeft en een lager percentage aan de ‘onderkant’. Dit betekent dat de waterconditionering meer schade aan één zijde van het proefstuk zal geven. De interne poriën zijn echter goed gedistribueerd met een maximale variatie van 2.5%, Figuur 6. De proefstukken die verdicht zijn met de Marshall hamer hadden een soortgelijke verdeling van de buiten poriën. De interne poriën zijn echter minder goed verspreid dan bij de Gyrator proefstukken, Figuur 7. Dit zou kunnen betekenen dat proefstukken die met de Marshall hamer verdicht zijn onverwachte goed of onverwachte slechte resultaten zouden kunnen geven, afhankelijk van de locatie van deze clusters.

6

5 1

2 7

8 4 3

3

(a)

(b)

(c)

Figuur 4: Opdeling om poriën distributie te meten Figuur 5: 1/8 van een proefstuk (a) alle materialen (b) interne & buiten poriën (c) buiten poriën

porosity

30%

Inside Pore Space Gyratory Compacted KST

25%

6

5 1

20%

Gyr01 Gyr02 Gyr03 Gyr04 Gyr05 Gyr06

2 7

8 4 3

3

15%

10%

5%

specimen section

0% 1

2

porosity

30%

3

4

(a)

5

6

7

Outside Pore Space Gyratory Compacted KST

8 Gyr01 Gyr02 Gyr03 Gyr04 Gyr05 Gyr06

25%

20%

15%

10%

5%

specimen section

0% 1

2

3

4

(b)

5

6

7

8

Figuur 6: Poriën distributie in de Gyrator proefstukken (a)interne poriën (b) buiten poriën

5


Inside Pore Space Marshall Compacted KST

porosity

30%

25%

1

20%

4 3

1-Mar 2-Mar 3-Mar 4-Mar 5-Mar 6-Mar

6

5 2

7

8 3

15%

10%

5%

specimen section 0% 1

2

4

(a)

5

6

7

Outside Pore Space Marshall Compacted KST

30%

porosity

3

8

1-Mar 2-Mar 3-Mar 4-Mar 5-Mar 6-Mar

25% 20% 15% 10% 5%

specimen section 0% 1

2

3

4

(b)

5

6

7

8

Figuur 7: Poriën distributie in de Marshall proefstukken (a)interne poriën (b) buiten poriën

Vochtinfiltratie simulatie Uit de bovenstaande analyse wordt het duidelijk dat er een aanzienlijke variatie in de poriën distributie kan zijn bij Marshall hamer verdichte proefstukken. Dit betekent dat zelfs als er 70-80% saturatie bereikt wordt in alle proefstukken, de daadwerkelijke waterconditionering van proefstuk tot proefstuk volledig anders kan zijn. Om dit verder te quantificeren, is er een vochtsimulatie uitgevoerd op de ontwikkelde proefstukken, waarvan in Figuur 8 een voorbeeld wordt gegeven. Uit de laatste plot is duidelijk te zien dat er een niet uniform waterpatroon in het centrum van het proefstuk gecreëerd is, wat zeker tot problemen betreffende de herhaalbaarheid en toepasbaarheid van de test zal leiden.

6


(a)

(b)

water

t2 0

t1 0

θ 0

t4

t3

0.0

1.0

(c)

Figuur 8: Vochtinfiltratie simulatie in een Marshall hamer verdicht proefstuk (a) EEM mesh (b) water conditionering (c) vochtinfiltatie in de tijd in het middelste vlak ( θ is hierbij de genormaliseerde vochtconcentratie)

3. Schade door vorstontwikkeling Extra vervormingen door ijsexpansie De dichtheid van water, boven het vriespunt, is ongeveer 1.0 g/cm3. Rond het vriespunt ondergaat water een fase verandering en verandert in ijs, dat een dichtheid heeft van 0.917 g/cm3. Dit laat zien dat wanneer het vloeibare water veranderd in het vaste ijs het volume met 9% toeneemt (1/0.917 =1.09). Dit heeft tot gevolg dat een extra vervorming van 3% wordt uitgeoefend door de formatie van ijs. In [Liu et. al, 2003] is vorstschade in asfaltmengsels gesimuleerd via een multiphase model benadering waarbij de representatieve volume element uit 20% poriĂŤn, 60.7% aggregaten, 12.3% mastiek and 7% interfaces bestond. Nadat een 7


temperatuurprofiel opgelegd werd, werd de schade in aggregaat-mastiek hechting onderzocht, Figuur 10.

Height of specimen [cm]

20

y

16

12

ftif [M P a ]

8

1,0 0,5

4

0,25

x z

0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

-4

Cracking (*10 )

Figuur 9: Volume toename van ijs in een macroporie Figuur 10: Vorstschade simulatie bij een multiphase model benadering [Liu et.al 2004]

In deze bijdrage kijken we echter naar de schadeontwikkeling in de op X-Ray scans gebaseerde meshes van de vorige sectie, waarbij naar de distributie van de schade in de individuele componenten gekeken kan worden, en de invloed van de connectiviteit van de poriën een belangrijk aspect is. Eindige elementen simulatie vorstschade Om de schade door ijsvorming en de invloed van langdurige vochtinfiltratie in kaart te brengen, is een van de bovenstaande eindige elementen meshes blootgesteld aan een temperatuurverlaging tot beneden het vriespunt. Hierbij zijn twee cases onderzocht: •

in case 1 bevindt het vocht zich alleen in de macroporiën van het mengsel en is de mastiek zelf droog (ongeconditioneerd) gebleven;

in case 2 bevindt het vocht zich langdurig in het mengsel, en heeft het water schade aan de mastiek veroorzaakt (geconditioneerd).

In een aparte publicatie voor de CROW 2010 Infradagen (“Fundamenteel Onderzoek naar Waterschade in ZOAB Fase 2: Mastiek sterkte in de aanwezigheid van vocht”) wordt verder ingegaan op het meten van waterschade van mastiek als functie van de vochtconcentratie. De case met de “geconditioneerde” mastiek heeft door de langdurige vochtinfiltratie verslechterde materiaaleigenschappen gekregen en zal bij de faseverandering van water naar ijs, zelfs bij eenzelfde asfaltmengsel, hogere spanningen opleveren. Figuur 11 laat de vervormingen en de schadeontwikkeling in de eindige elementen analyse zien. In Figuur 12 wordt de spanningsontwikkeling tegen het vervorminggedrag uitgezet voor de geconditioneerde en droge mastiek, nadat een aantal vries-dooi cycli toegepast waren op het gehele proefstuk. Uit de grafiek blijkt dat de ongeconditioneerde (of: vocht ongevoelige) mastiek veel lagere spanningen opbouwt en in staat is om veel meer energie te absorberen.

8


Het geconditioneerde mastiek heeft daarentegen, met dezelfde hoeveelheid ijs in het mengsel, veel meer spanningen te verwerken en zal dus ook meer vorstschade tentoonspreiden.

(a)

damage

(a)

(b)

(b)

Stress-x [MPa]

Figuur 11: Simulatie van vervorming door uitzetting ijs bij faseverandering door vriestemperatuur (a) boven nul graden (b) bij bevriezing (alle blauwe poriĂŤn zijn volledig gevuld met water) 7.0 6.0 5.0

Geconditioneerde mastiek Droge mastiek

4.0 3.0 2.0 1.0 Strain x [-]

0.0 -0.001

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

-1.0

Figuur 12: Vergelijking spanningsontwikkeling op zelfde locatie in de mastiek voor ‘droge’ mastiek en vocht geconditioneerde mastiek.

9


4. Conclusies en aanbevelingen In deze bijdrage is nadruk gelegd op het feit dat waterschade en vorstschade sterk gerelateerd kunnen zijn. Het is daarom belangrijk om beter inzicht te ontwikkelen in de vochtschade gevoeligheid van onze asfaltmengsels. Dit kan onder andere bereikt worden door betere testprocedures te ontwikkelen om zo a priori mengsels te ontwikkelen die minder gevoelig zijn voor vochtinfiltratie en dus ook een kleinere kans hebben tot extreme vorstschade ontwikkeling. Om de getoonde kwalitatieve methodiek in deze bijdrage ook kwantitatief een bijdrage te kunnen laten leveren aan het verbeteren van de huidige asfaltmengsels tegen vorst en vochtschade, is het daarom aan te bevelen om meer materiaal data voor de individuele componenten te genereren, die in de huidige modellen gebruikt kunnen worden om zo de wegenbouwers te assisteren in verbeterde materiaalselectie en mengselontwerp. 5. Referenties Solaimanian, M., Bonaquist, R., and Tandon,V. (2007).“ Improved conditioning and Testing Procedures for HMA Moisture Susceptibility.” NCHRP Report 589, Transportation Research Board, National Research Council, Washington, DC. Van der Pijl en Voskuilen, Presentatie bij ‘Gluren bij de Buren’ sessie, 6 april 2010 Aschenbrener, T., R. B. McGennis, and R. L. Terrel. (1995). “Comparison of Several Moisture Susceptibility Tests to Pavement of Known Field Performance.” Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, pp. 163–208. Epps, J. A., P. E. Sebaaly, J. Penaranda, M. R. Maher, M. B. McCann, and A. J. Hand (2000). NCHRP Report 444: Compatibility of a Test for Moisture-Induced Damage with Superpave Volumetric Mix Design. Transportation Research Board, National Research Council, Washington, DC. Kringos N., ‘Modeling of Combined Physical-Mechanical Moisture Induced Damage in Asphaltic Mixes’, PhD dissertation, TU Delft, ISBN 978-90-9021765-9, 2007 Kringos N. and Scarpas A. ’Determination of Moisture Susceptibility of Mastic-Stone Bond Strength and Comparison to Thermodynamical Properties”, Journal Association of Asphalt Paving Technologists, 77, 2008 Kringos N. and Scarpas A., Physical and Mechanical Moisture Susceptibility of Asphaltic Mixtures, International Journal of Solids and Structures, Vol. 45, 2008, 2671-2685 Kringos N, Scarpas A. and Bondt de A. ‘Fundamenteel Experimenteel en Numeriek Onderzoek naar Rafeling in ZOAB door Waterschade, Fase 1: Mastiek-Steen Bindingssterkte in de Aanwezigheid van Vocht, Proceedings CROW Infradagen, juni 2008 (in Dutch) Kringos N, Azari H and Scarpas A., Micro-Scale Finite Element Analysis of Moisture Infiltration in the Modified Lottman test, Transportation Research Record, Journal of the Transportation Research Board, accepted for publication, 2009. Liu; X., Kringos, N.; and Scarpas, A. Multi-Phase Material Model for Freezing Damage in Open Graded Asphaltic Mixes. In: Proceedings of the 2004 International Conference on Computational & Experimental Engineering & Sciences (ICCES ' 04), Madeira, Portugal, July 2004, Tech Science Press, in CD ROM Scarpas A., CAPA-3D: A Mechanics Based Computational Platform for Pavement Engineering, ISBN 909019040-6, 2005

10


02_Kringos-Simulatie-vorstschade-in-asfaltmengsels