Jaarlijks wordt één miljard gulden uitgegeven aan het onderhoud van het wegennet in Nederland. Ongeveer veertig procent daarvan is om de gevolgen van oppervlaktescheuren in het asfalt weg te werken.
Delen
Over de oorzaken van oppervlaktescheuring was tot nu toe weinig bekend. Het proefschrift van dr. ir. M.M.J. Jacobs, ‘Crack growth in ashaltic mixes’, moet daar een einde aan maken.
,,Volgens de theorie kunnen oppervlaktescheuren helemaal niet ontstaan. Alleen onder in de asfaltlaag wordt het materiaal immers blootgesteld aan trekspanningen bij de belastingen door het verkeer. Boven de neutrale lijn heersen alleen drukspanningen, maar toch scheurt het asfalt daar ook”, vertelt Jacobs, die al in 1986 met zijn onderzoek begon.
Daarom moet teruggegaan worden naar de hete zomer van 1977. De extreme spoorvorming toen, zette Rijkwaterstaat, de beheerder van het Rijkswegennet, ertoe de samenstelling van het asfaltmengsel te wijzigen. Asfalt bestaat uit een aggregaat (van gesteente) en de ‘lijm’ tussen het aggregaat: de bitumen. Rijkswaterstaat besloot het aandeel van bitumen te verlagen, omdat de extreme temperatuursafhankelijkheid zorgt voor de stroperigheid van asfalt bij hoge temperatuur. Het gevolg was wel dat het asfalt veel brosser werd. Jacobs: ,,Asfalt maken betekent altijd het sluiten van compromis tussen weerstand tegen spoorvorming of tegen scheurvorming.”
Super singles
Na 1977 was het asfalt dus brosser. Daarbij kwam ook nog de zwaardere belasting door het verkeer, vooral het vrachtverkeer. Er rijden steeds zwaardere vrachtwagens met minder assen en minder banden. ,,Vrachtwagens worden vaker uitgerust met enkele banden, in plaats van de dubbele luchtbanden”, vertelt Jacobs, ,,bij tellingen blijkt soms, dat al zestig procent van de vrachtwagens uitgerust is met die super single banden.”
De contactspanningen worden door het geringere contactoppervlak tussen wegdek en voertuig veel groter. ,,Dat is funest voor de weg”, meent Jacobs. Een direct verband tussen super single banden en wegdek-onderhoud is niet vast te stellen, omdat de bandenfabrikanten weigeren verkoopcijfers vrij te geven. ,,Ja, die kijken wel uit. Dan kan hun schuld bewezen worden”, reageert Jacobs. Hij pleit voor een herbezinning op het gebruik van super singles.
Met twee modellen heeft Jacobs gerekend aan het proces van scheurvorming. Dat zijn allebei nieuwe modellen. De al bestaande modellen voldeden niet meer. ,,Althans”, vertelt Jacobs, ,,met de twee nieuwe modellen moest het volgens mij mogelijk zijn om een betere beschrijving te krijgen van het scheurgedrag.”
Naslagwerk
Het eerste model is afgeleid van de breuk-mechanica. Jacobs heeft een methode ontwikkeld om voor elk mogelijke asfaltsamenstelling de variabelen in de zogenaamde formule van Paris te kunnen bepalen. De formule geeft het verband weer tussen de eigenschappen van het mengsel, het aantal en de grootte van de belastingen en de scheurgrootte. ,,Theoretisch gezien klopte de formule wel, maar in de praktijk was hij niet toepasbaar, omdat de formule uitgaat van een homogeen lineair visco-elastisch materiaal. En homogeen is asfalt dus juist niet”. aldus Jacobs.
Met behulp van statistische analyse van de data verkregen in proeven, bepaalde Jacobs de correctiefactoren die nodig zijn om de parameters in de formule van Paris bruikbaar te maken. Jacobs: ,,Alles in de verkeersbouwkunde wordt empirisch gedaan. Daarom is mijn proefschrift ook zo dik. Ik wilde een handboek maken voor de hele vakwereld, een naslagwerk. Alle proefopstellingen zijn uitgebreid beschreven en er zijn diverse rekenvoorbeelden om het gebruik in de praktijk te bevorderen.”
De breuk-mechanica benadering kan nu met een relatief simpele proef toegepast worden in de praktijk. Uitgerekend kan worden hoe dik een deklaag moet zijn die over een gescheurde asfaltlaag aangebracht moet worden, om een voorafgestelde levensduur te garanderen.
Moleculair
De tweede methode die Jacobs uitgewerkt heeft is een stuk gecompliceerder dan de eerste. In de praktijk is hij nog niet toepasbaar. ,,Dat had me nog minstens een jaar extra gekost.” De methode, die luistert naar de naam ‘absolute rate theory’ (ART), beschrijft op moleculair niveau het proces van scheurgroei. Jacobs schrijft in zijn proefschrift dat het nodig werd om op fundamentele wijze het groeiproces te beschrijven. Zonder deze kennis kan geen efficiënte verbetering verkregen worden tegen scheurgroei.
ART wordt ook gebruikt om het scheurproces van andere ‘civiele’ materialen te beschrijven, zoals hout en metaal. ART moet in de toekomst nog beter en preciezer de samenstelling van een asfaltmengsel aan kunnen geven, beter dus dan het breuk-mechanica model.
Maar zelfs dan kan Jacobs het optimale asfaltmengsel niet samenstellen. ,,Nee, dan moet eerder gedacht worden aan de ontwikkeling van de zogenaamde gemodificeerde bitumen. Die mengsels kunnen misschien een asfalt geven dat bij een betere weerstand tegen spoorvorming ook een betere weerstand tegen scheurvorming biedt.”
Jaarlijks wordt één miljard gulden uitgegeven aan het onderhoud van het wegennet in Nederland. Ongeveer veertig procent daarvan is om de gevolgen van oppervlaktescheuren in het asfalt weg te werken. Over de oorzaken van oppervlaktescheuring was tot nu toe weinig bekend. Het proefschrift van dr. ir. M.M.J. Jacobs, ‘Crack growth in ashaltic mixes’, moet daar een einde aan maken.
,,Volgens de theorie kunnen oppervlaktescheuren helemaal niet ontstaan. Alleen onder in de asfaltlaag wordt het materiaal immers blootgesteld aan trekspanningen bij de belastingen door het verkeer. Boven de neutrale lijn heersen alleen drukspanningen, maar toch scheurt het asfalt daar ook”, vertelt Jacobs, die al in 1986 met zijn onderzoek begon.
Daarom moet teruggegaan worden naar de hete zomer van 1977. De extreme spoorvorming toen, zette Rijkwaterstaat, de beheerder van het Rijkswegennet, ertoe de samenstelling van het asfaltmengsel te wijzigen. Asfalt bestaat uit een aggregaat (van gesteente) en de ‘lijm’ tussen het aggregaat: de bitumen. Rijkswaterstaat besloot het aandeel van bitumen te verlagen, omdat de extreme temperatuursafhankelijkheid zorgt voor de stroperigheid van asfalt bij hoge temperatuur. Het gevolg was wel dat het asfalt veel brosser werd. Jacobs: ,,Asfalt maken betekent altijd het sluiten van compromis tussen weerstand tegen spoorvorming of tegen scheurvorming.”
Super singles
Na 1977 was het asfalt dus brosser. Daarbij kwam ook nog de zwaardere belasting door het verkeer, vooral het vrachtverkeer. Er rijden steeds zwaardere vrachtwagens met minder assen en minder banden. ,,Vrachtwagens worden vaker uitgerust met enkele banden, in plaats van de dubbele luchtbanden”, vertelt Jacobs, ,,bij tellingen blijkt soms, dat al zestig procent van de vrachtwagens uitgerust is met die super single banden.”
De contactspanningen worden door het geringere contactoppervlak tussen wegdek en voertuig veel groter. ,,Dat is funest voor de weg”, meent Jacobs. Een direct verband tussen super single banden en wegdek-onderhoud is niet vast te stellen, omdat de bandenfabrikanten weigeren verkoopcijfers vrij te geven. ,,Ja, die kijken wel uit. Dan kan hun schuld bewezen worden”, reageert Jacobs. Hij pleit voor een herbezinning op het gebruik van super singles.
Met twee modellen heeft Jacobs gerekend aan het proces van scheurvorming. Dat zijn allebei nieuwe modellen. De al bestaande modellen voldeden niet meer. ,,Althans”, vertelt Jacobs, ,,met de twee nieuwe modellen moest het volgens mij mogelijk zijn om een betere beschrijving te krijgen van het scheurgedrag.”
Naslagwerk
Het eerste model is afgeleid van de breuk-mechanica. Jacobs heeft een methode ontwikkeld om voor elk mogelijke asfaltsamenstelling de variabelen in de zogenaamde formule van Paris te kunnen bepalen. De formule geeft het verband weer tussen de eigenschappen van het mengsel, het aantal en de grootte van de belastingen en de scheurgrootte. ,,Theoretisch gezien klopte de formule wel, maar in de praktijk was hij niet toepasbaar, omdat de formule uitgaat van een homogeen lineair visco-elastisch materiaal. En homogeen is asfalt dus juist niet”. aldus Jacobs.
Met behulp van statistische analyse van de data verkregen in proeven, bepaalde Jacobs de correctiefactoren die nodig zijn om de parameters in de formule van Paris bruikbaar te maken. Jacobs: ,,Alles in de verkeersbouwkunde wordt empirisch gedaan. Daarom is mijn proefschrift ook zo dik. Ik wilde een handboek maken voor de hele vakwereld, een naslagwerk. Alle proefopstellingen zijn uitgebreid beschreven en er zijn diverse rekenvoorbeelden om het gebruik in de praktijk te bevorderen.”
De breuk-mechanica benadering kan nu met een relatief simpele proef toegepast worden in de praktijk. Uitgerekend kan worden hoe dik een deklaag moet zijn die over een gescheurde asfaltlaag aangebracht moet worden, om een voorafgestelde levensduur te garanderen.
Moleculair
De tweede methode die Jacobs uitgewerkt heeft is een stuk gecompliceerder dan de eerste. In de praktijk is hij nog niet toepasbaar. ,,Dat had me nog minstens een jaar extra gekost.” De methode, die luistert naar de naam ‘absolute rate theory’ (ART), beschrijft op moleculair niveau het proces van scheurgroei. Jacobs schrijft in zijn proefschrift dat het nodig werd om op fundamentele wijze het groeiproces te beschrijven. Zonder deze kennis kan geen efficiënte verbetering verkregen worden tegen scheurgroei.
ART wordt ook gebruikt om het scheurproces van andere ‘civiele’ materialen te beschrijven, zoals hout en metaal. ART moet in de toekomst nog beter en preciezer de samenstelling van een asfaltmengsel aan kunnen geven, beter dus dan het breuk-mechanica model.
Maar zelfs dan kan Jacobs het optimale asfaltmengsel niet samenstellen. ,,Nee, dan moet eerder gedacht worden aan de ontwikkeling van de zogenaamde gemodificeerde bitumen. Die mengsels kunnen misschien een asfalt geven dat bij een betere weerstand tegen spoorvorming ook een betere weerstand tegen scheurvorming biedt.”
Comments are closed.