Verschillende situaties voor scheurvorming en scheurreflectie
In deze paragraaf is een aantal veelvoorkomende situaties uitgewerkt waarbij scheurvorming of scheurreflectie in asfaltoverlagen of -inlagen kunnen ontstaan. De volgende situaties worden behandeld:
- Asfaltconstructie op betonconstructie met voegen en/of scheuren of asfaltconstructie op gebonden fundering of fundering van beton;
- Asfaltconstructie met dwarsscheuren zonder gebonden fundering;
- Asfaltconstructie met verticale zakkingen overdwars. Bijvoorbeeld bij verbreding, sleufreparatie, bomen of bij onvoldoende kantopsluiting en veel randbelasting;
- Asfaltconstructie met oude of nieuwe verbreding met horizontaal ‘uiteendrijven’;
- Asfaltconstructie met scheuren in het rijspoor ten gevolge van vermoeiing onder verkeersbelasting.
[ link ]
Scheuren in rijsporen door verkeersbelasting
Asfaltconstructies met scheurvorming en oneffenheden ten gevolge van zwel van de ondergrond, vorstheffing, boomwortelopdruk of ‘bloemkoolvorming’ worden in deze publicatie niet behandeld. In deze situaties is asfaltwapening niet zelfstandig in staat de vervormingen en scheuren te verhinderen. Wel kan asfaltwapening worden toegepast als aanvulling op andere maatregelen, zoals boomkratten of gedeeltelijke vervanging van zwellende materialen.
Wanneer scheurvorming optreedt, kan regenwater in de constructie binnendringen. Dat geldt ook bij slechte afwatering van bermen. De waterindringing kan leiden tot verweking van granulaire lagen, met versnelde vervormingen van die lagen tot gevolg.
Om inzicht te kunnen krijgen in de benodigde werking van de asfaltwapening moeten de aandrijvende mechanismen die ten grondslag liggen aan het ontstaan van de scheurvorming, duidelijk zijn. In Tabel 2 is een overzicht gegeven van de optredende bewegingen en krachten van de vijf veelvoorkomende situaties.
In alle gevallen is ervan uitgegaan dat de scheuren in de onderliggende constructie doorlopen over de gehele dikte van het asfaltpakket of de gehele dikte van een betonverharding of gebonden fundering.
Van elk optredend mechanisme is de relevante tijdschaal aangegeven. Deze is van belang, omdat de eigenschappen van asfalt afhankelijk zijn van de snelheid van belasten of vervormen.
Tabel 2: Overzicht van optredende bewegingen en krachten in verschillende situaties.
| Situatie | 1. Asfaltconstructie op betonconstructie met voegen en/of scheuren of asfaltconstructie op gebonden fundering of fundering van beton | 2. Asfaltconstructie met dwarsscheuren zonder gebonden fundering | 3. Asfaltconstructie met verticale zakkingen overdwars | 4. Asfaltconstructie met oude of nieuwe verbreding met horizontaal ‘uiteendrijven’ | 5. Asfaltconstructie met scheuren in het rijspoor ten gevolge van vermoeiing onder verkeersbelasting | Tijd | |
| Bewegingen / krachten | |||||||
| Horizontaal (trek) | |||||||
| A | Uitharding/drogingskrimp | X | weken | ||||
| B | Thermische krimp | X | X | ½ dag – ½ jaar | |||
| C | Uitdrogingskrimp (ondergrond) | X | weken | ||||
| D | Wegdrijven | X | maanden | ||||
| Buiging | |||||||
| E | Bol/hol door temperatuurwisselingen | X | ½ dag | ||||
| F | Bol/hol door verkeer | X | X | X | X | <0,1 seconde | |
| G | Hol door verkeer | X | X | X | X | X | <0,1 seconde |
| H | Bol/hol door zakking | X | X | maanden/jaren | |||
| I | Bol door randzakking | X | X | maanden/jaren | |||
| J | Hol door spoorvorming | X | maanden/jaren | ||||
| Verticaal (afschuiving) | |||||||
| K | Klapperen door verkeer | Afhankelijk. van situatie | Afhankelijk. van situatie | X | X | X | <0,1 seconde |
| L | Afschuiven door zakking | X | X | maanden/jaren | |||
Effecten van verschillende belastingtijden
De tijdsduur van een wielpassage bedraagt afhankelijk van de voertuigsnelheid ongeveer 0,1 tot 0,4 seconde. Sommige rekpieken in het asfalt duren nog korter. Afkoeling van dag tot nacht duurt ruim 40.000 seconden, dus 100.000 tot 500.000 maal zo lang. Afkoeling van zomer naar winter duurt nog circa 200 maal langer en zettingsprocessen kunnen nog weer meer dan 10 maal langer duren. In totaal zijn er dus verschillen van een factor 200 miljoen tot 1 miljard. Dit leidt bijvoorbeeld tot verschillen van meer dan een factor 100 à 1000 in asfaltstijfheid.
De tijdsduur van een wielpassage bedraagt afhankelijk van de voertuigsnelheid ongeveer 0,1 tot 0,4 seconde. Sommige rekpieken in het asfalt duren nog korter. Afkoeling van dag tot nacht duurt ruim 40.000 seconden, dus 100.000 tot 500.000 maal zo lang. Afkoeling van zomer naar winter duurt nog circa 200 maal langer en zettingsprocessen kunnen nog weer meer dan 10 maal langer duren. In totaal zijn er dus verschillen van een factor 200 miljoen tot 1 miljard. Dit leidt bijvoorbeeld tot verschillen van meer dan een factor 100 à 1000 in asfaltstijfheid.
Hierna zijn de vijf verschillende situaties verder uitgewerkt en wordt ingegaan op de optredende mechanismen.
1. Asfaltconstructie op betonconstructie met voegen en/of scheuren of asfaltconstructie op gebonden fundering of fundering van beton.
Bij een asfaltoverlaag op een betonconstructie met voegen en/of scheuren of een overlaag op een asfaltconstructie op een gebonden of betonnen fundering treden de volgende mechanismen op:
Bij een asfaltoverlaag op een betonconstructie met voegen en/of scheuren of een overlaag op een asfaltconstructie op een gebonden of betonnen fundering treden de volgende mechanismen op:
| A. | Uithardingskrimp Uithardingskrimp in de gebonden fundering of betonlaag treedt vooral op binnen de eerste weken na het aanbrengen van de cementgebonden laag, maar duurt in totaal enkele jaren. De krimp is eenmalig en permanent. Hierdoor ontstaan horizontale trekspanningen. De gevolgen van deze spanningen zijn vooral dwarsscheuren. Bij rijbaanbreedtes van meer dan circa 6 m kunnen ook langsscheuren voorkomen. De grootte van de verhardingskrimp is afhankelijk van het cementgehalte en het watergehalte van het cementgebonden materiaal, de temperatuur en het vochtverlies tijdens de uitharding. De orde-grootte van de verhardingskrimp is 0,1 mm/m. De scheurwijdte als gevolg van de verhardingskrimp is afhankelijk van de scheur- of voegafstand. De scheurafstand kan variëren van enkele meters tot tientallen of zelfs honderden meters. [ link ] Figuur 2. Mechanismen A en B: Uithardingskrimp en thermische krimp van cementgebonden materiaal. |
| B. | Thermische krimp Thermische krimp van de gebonden fundering of betonlaag treedt op door temperatuurverschillen tussen dag en nacht, maar vooral tussen zomer en winter (Figuur 2). Door afkoeling krimpt de gebonden fundering of betonlaag en ontstaan er horizontale trekspanningen. Dit kan leiden tot (extra) scheuren in de gebonden fundering of betonlaag, naast verwijding van de uithardingskrimpscheuren. Boven deze scheuren kunnen reflectiescheuren in de asfaltoverlaag ontstaan. Bij opwarming zetten de ontstane platen weer uit. Deze beweging is ook aanwezig bij voegen in beton en is een doorgaand cyclisch proces met een tijdschaal van dagen en seizoenen. |
| E. | Bol- of holtrekken door temperatuurverschillen Door temperatuurverschillen tussen de boven- en onderzijde van betonplaten, als gevolg van de dagelijkse opwarming en afkoeling, wordt de bovenliggende overlaag belast op buiging en op horizontale trek (Figuur 3). Bij cementgebonden funderingen komt dit mechanisme niet voor. [ link ] Figuur 3. Mechanisme E: Buiging door opkrullende afkoelende betonplaten. |
| F. | Bol/hol door verkeer Tijdens een wiellastpassage bewegen de plaatranden. Hierdoor ontstaan neerwaartse en opwaartse buigingen in de overlaag boven en nabij de voeg (Figuur 4). Dit gebeurt binnen één seconde en wordt bij elke wielpassage herhaald. [ link ] Figuur 4. Mechanisme F: Buiging door verkeer nabij een scheur. |
| G. | Hol door verkeer Als gevolg van de verkeersbelasting buigt de verharding extra door boven de scheur of voeg (Figuur 5). Dit gebeurt binnen één seconde en wordt bij elke wielpassage herhaald. [ link ] Figuur 5. Mechanisme G: Buiging door verkeer boven de scheur. |
| K. | Klapperen door verkeer Als gevolg van verkeersbelastingen vinden er verticale bewegingen (‘klapperen’) van de plaatranden plaats. Het gevolg hiervan is een verticale afschuifbelasting op de overlaag. De grootte van de bewegingen hangt af van veel factoren. Dit zijn onder andere de grootte van de wiellast, de draagkracht van de ondergrond, eventuele holtes onder de plaatranden, de plaatafmetingen, de scheur/voegwijdte en (resterende) verticale krachtoverdracht binnen de scheur/voeg. De maatgevende situatie is wanneer de temperaturen laag zijn. De voegwijdte is dan het grootst en de krachtoverdracht het laagst. Holtes onder de voegen en scheuren ontstaan vaak door uitspoeling van materiaal met regenwater door het ‘pompen’ van de plaatranden bij een wielpassage. De verticale bewegingen zijn kortdurend, circa 0,1 tot 0,4 seconde, en worden bij elke wielpassage herhaald. Figuur 6 toont de verticale beweging bij een wielpassage over een dwarsscheur (links) en naast een langsscheur of langsvoeg (rechts). Bij langsscheuren of langsvoegen buiten het wielspoor zijn de verticale afschuifbewegingen vrijwel altijd in dezelfde richting. Bij scheuren of voegen in het rijspoor kunnen wielen zowel links als rechts passeren en kunnen de verticale bewegingen dus van richting verschillen. [ link ] Figuur 6. Mechanisme K: Verticale afschuiving door verkeer [naar Rankilor 1997]. |
Asfaltconstructies kunnen dwarsscheuren vertonen zonder dat een gebonden fundering aanwezig is. Dan kunnen de dwarsscheuren zijn veroorzaakt door uitdrogingskrimp van onderliggende lagen, zoals een leemrijke fundering of een ondergrond van klei. Ook kunnen dwarsscheuren optreden bij oude constructies van asfalt op zand, waar het asfalt door veroudering stijf en bros is geworden en zelf gevoelig is voor thermische krimp.
In deze situaties kunnen de eerdergenoemde mechanismen B (thermische krimp), K (verticale afschuiving door verkeer) en F en G (buiging door verkeer) optreden. Een ander mechanisme dat hier optreedt is uitdrogingskrimp.
| C. | Uitdrogingskrimp Uitdrogingskrimp van de vochtgevoelige lagen, waardoor horizontale trek ontstaat en dwarsscheuren. Boven deze scheuren kunnen reflectiescheuren in de asfaltoverlaag ontstaan. Bij herbevochtiging zet het materiaal meestal weer uit. Deze beweging is meestal een doorgaand cyclisch proces met een tijdschaal van maanden tot jaren (Figuur 7). [ link ] Figuur 7. Mechanisme C: Uitdrogingskrimp vochtgevoelige materialen. |
3. Wegconstructie met verticale zakkingen overdwars
Door verschillende oorzaken kunnen er in een wegconstructie in breedterichting gezien verticale zakkingen plaatsvinden. Voorbeelden hiervan zijn wegverbredingen, sleufreparaties, bomen, onvoldoende kantopsluiting en veel randbelasting.
Door verschillende oorzaken kunnen er in een wegconstructie in breedterichting gezien verticale zakkingen plaatsvinden. Voorbeelden hiervan zijn wegverbredingen, sleufreparaties, bomen, onvoldoende kantopsluiting en veel randbelasting.
[ link ]
Verbreding van bestaande wegverharding
Bij de aanleg van een wegverbreding moet vaak ook de aardebaan worden verbreed. In gebieden met slappe grondslag kunnen daarbij zettingen optreden, zowel in absolute zin als ten opzichte van de bestaande weg. Ondanks maatregelen als het toepassen van lichte ophoogmaterialen of het aanbrengen van een overhoogte en/of drainage, kan er toch nog zetting optreden van de verbreding. Bij steile taluds, slappe grondslag en verkeersbelasting nabij de kruin van het talud kan langzame afschuiving van het talud optreden. De zakking van de verbreding kan ook optreden, wanneer het zandbed of de nieuwe fundering niet voldoende verdicht is en gaat naverdichten onder de verkeersbelasting.
Onvoldoende verdichting is vaak ook de oorzaak van naverdichting bij reparaties van sleuven in de verharding voor kabels en leidingen.
Door vochtonttrekking door bomen kan uitdrogingskrimp van de ondergrond ontstaan. Het gevolg hiervan is zakking van de verharding nabij de rand van de verharding. In de buurt van de bomen ontstaan kuilen in de weg met een onregelmatig scheurenpatroon. Door de zuiging van de bomen kan de berm en de wegrand meer verzakken dan het midden van de weg. Dan ontstaan vooral langsscheuren, zowel aan de wegrand als in de rijsporen.
In de situatie van een wegconstructie met verticale zakkingen in breedterichting treden de eerder genoemde cyclische verticale afschuifbelastingen (K) en buigingen (F) op. Daarnaast treden ook de volgende mechanismen op:
| H. | Bol/hol door zakking Door zakking ontstaat neerwaartse buiging bovenin de overlaag en opwaartse buiging onderin de overlaag. De tijdschaal waarin zich dit voordoet is van weken tot jaren (Figuur 8). [ link ] Figuur 8. Mechanisme H: Buiging hol/bol door zakking. |
| I. | Bol door randzakking Door zakking op enige afstand van de verbredingsnaad en belasting op de rand van de weg / verbreding ontstaat buiging en daarmee trekkrachten in de overlaag. De tijdschaal waarin zich dit voordoet is van maanden tot jaren (Figuur 9). [ link ] Figuur 9. Mechanisme I: Buiging bol door randzakking. |
| L. | Afschuiven door zakking Door zakking van de diepere lagen ontstaat verticale afschuiving over de verbredingsnaad (Figuur 10). Bij naverdichting treedt dit vooral op in de eerste weken tot maanden na openstelling. Bij zetting blijft het proces meestal vele jaren doorgaan, maar wel steeds langzamer. [ link ] Figuur 10. Mechanisme L: Verticale afschuiving door zakking. |
Afhankelijk van de situatie kan mechanisme I of L belangrijker zijn.
4. Wegconstructie met oude of nieuwe verbreding met horizontaal ‘uiteendrijven’
Bij een slappe grondslag met weinig zijdelingse opsluiting van het weglichaam kan een verbreding horizontaal willen ‘wegdrijven’ van de oude verharding. Hierbij ontstaat:
Bij een slappe grondslag met weinig zijdelingse opsluiting van het weglichaam kan een verbreding horizontaal willen ‘wegdrijven’ van de oude verharding. Hierbij ontstaat:
| D. | Wegdrijven Door horizontale verplaatsing van de wegverbreding treedt horizontale trek op in de overlaag. Hierbij kan de kracht in de tijd constant blijven of toenemen, terwijl de verplaatsing meestal langzaam toeneemt (Figuur 11). Dit mechanisme vindt plaats in een tijdschaal van weken tot jaren. [ link ] Figuur 11. Mechanisme D: Trek door wegdrijven van verbreding. |
Naast de horizontale beweging kunnen ook de volgende eerdergenoemde mechanismen optreden:
| K. | cyclische verticale afschuifbelastingen door het verkeer |
| F., G. | cyclische buigingen door het verkeer |
| L. | permanente verticale afschuiving door zakking |
| H., I | permanente buigingen door zakking |
5. Asfaltconstructie met scheuren in het rijspoor ten gevolge van verkeersbelasting
Structurele scheuren in het rijspoor treden vaak op als langsscheuren of craquelé. Vaak treedt ook nog brede spoorvorming, of kuilvorming, in het rijspoor op. Dit duidt er op dat niet alleen het asfalt is bezweken, maar dat ook de fundering en/of het zandbed door vervorming bezweken zijn of aan het bezwijken zijn. In deze situatie treden de volgende mechanismen op:
Structurele scheuren in het rijspoor treden vaak op als langsscheuren of craquelé. Vaak treedt ook nog brede spoorvorming, of kuilvorming, in het rijspoor op. Dit duidt er op dat niet alleen het asfalt is bezweken, maar dat ook de fundering en/of het zandbed door vervorming bezweken zijn of aan het bezwijken zijn. In deze situatie treden de volgende mechanismen op:
| G. | Hol door verkeer Cyclische opwaartse buigingen door het verkeer. Deze buigingen zijn zonder onderliggende scheur één van de klassieke ontwerpcriteria tegen vermoeiingsscheuren van onder uit de asfaltconstructie (Figuur 12). Dit gebeurt binnen één seconde en wordt bij elke wielpassage herhaald. [ link ] Figuur 12. Mechanismen G en J : Buiging hol door wiellast en diepe spoorvorming. |
| J. | Hol door spoorvorming Permanente opwaartse buigingen door permanente zakking onder het wielspoor, op een tijdschaal van maanden tot jaren1)Hierbij is de buigrek in het asfalt langdurig. De rek wordt bepaald door de vervorming van het zandbed en niet door de verkeersbelasting. (Figuur 12). |
| K. | Klapperen door verkeer Cyclische verticale afschuifbelastingen door het verkeer (Figuur 6). Afhankelijk van wielpassages links of rechts van de scheur kunnen de belastingen in twee richtingen optreden. |
Scheuren en vervormingen in het rijspoor treden sneller op als de verkeersbelastingen zwaarder zijn en/of de weg en/of ondergrond minder draagkrachtig is. Verzwakking van de draagkracht van zandbed en ondergrond kan optreden door verzadiging met water door onvoldoende drainage.
Een speciaal geval daarvan kan optreden bij dooi na een langdurige vorstperiode. Tijdens die vorstperiode kan een verzadigd zandbed of de ondergrond uitzetten, en bij herhaalde vorst-dooicycli zelfs extra water aanzuigen. Hierdoor ontstaat een ijslens in het zandbed of de ondergrond. Wanneer de dooi intreedt, zal deze lens van bovenaf gaan smelten. Het smeltende water kan hierbij niet wegzakken naar beneden, omdat zich daar nog ijs bevindt (Figuur 13). Er ontstaat dan een met water verzadigde laag onder de verharding die weinig draagkrachtig is.
[ link ]
Figuur 13. Aandrijvende mechanismen voor scheurbeweging door opdooi [naar Rankilor 1997].