Bepaling maximumdichtheid door proctorproeven

Van de slag- of stampverdichtingsmethoden is de zogenaamde proctorproef zonder enige twijfel de meest bekende en meest toegepaste. In vele landen is deze proef, die in de dertiger jaren in de Verenigde Staten werd ontwikkeld, in een of andere modificatie gestandaardiseerd. Ook wordt soms de allereerste normalisatie volgens de American Association of State Highway Officials (AASHO) gekozen. Internationaal is de, overigens praktisch identieke standaard volgens de American Society for Testing Materials (ASTM) zeer gangbaar.

In principe wordt met behulp van de proctorproef de relatie tussen de droge dichtheid en het vochtgehalte verkregen, onder invloed van een voorgeschreven wijze van verdichten. Hiertoe worden in een standaardcilinder met behulp van een bepaalde stamper drie of vijf lagen grond verdicht door toevoeging van een zekere hoeveelheid energie per laag. Door de proef uit te voeren voor een serie oplopende vochtgehalten worden evenzovele waarden verkregen voor de droge dichtheid; de vloeiende verbindingslijn tussen deze punten wordt de proctorcurve genoemd. Voor elk materiaal kan op deze manier een eigen proctorcurve worden verkregen. De figuren 2.24a en 2.24b tonen van een groot aantal materialen de proctorcurve.

De proctorcurve is vaak een min of meer parabolische kromme; de top van de kromme wordt gedefinieerd als de maximumproctordichtheid, meestal afgekort als m.p.d. of mpd; deze droge dichtheid wordt ook wel de standaard- of normale maximumproctordichtheid ρpr in kg/m³ genoemd. Het vochtgehalte waarbij deze maximumdichtheid wordt gerealiseerd, is het zogenaamde optimumvochtgehalte.

De proef en de dichtheid worden ook wel genoemd naar de eerste standaardisatie: standaard-AASHO respectievelijk (standaard)-AASHO-dichtheid. De gestandaardiseerde hoeveelheid slagenergie voor de proctorproef werd bij het ontwerp van de proef zo gekozen dat de geproduceerde dichtheid ongeveer overeenkwam met het verdichtingsresultaat dat met behulp van de destijds (in de dertiger jaren) gangbare verdichtingsmachines kon worden gerealiseerd.

Voor de verdichting van dammen en startbanen van vliegvelden, waarvoor veel zwaardere machines werden gebruikt, bleek later een verdichtingsproef noodzakelijk die resulteerde in een grotere referentiedichtheid. Op voorstel van het U.S. Corps of Engineers werd daartoe per volume-eenheid circa 4,5 maal zoveel energie toegepast. Deze proef en de bijbehorende referentiedichtheid werden aangeduid als Modified AASHO-proef respectievelijk Modified (AASHO)dichtheid. In Nederland spreekt men meestal van de gewijzigde of verzwaarde-proctorproef; de top van de proctorcurve representeert in dat geval de gewijzigde (Modified) of verzwaarde maximumproctordichtheid, afgekort als V.m.p.d. of Vmpd.

In figuur 2.25a is voor een bepaalde grondsoort een serie verdichtingscurven gegeven, die gevonden zijn bij diverse verdichtingsenergieniveaus. Uit figuur 2.25b blijkt dat de maximumdichtheid een logaritmische functie is van de toegepaste hoeveelheid verdichtingsenergie.

Het resultaat van de proctorproef wordt vaak in een grafiek uitgezet tezamen met de lijnen van gelijke verzadigingsgraad en gelijk luchtgehalte; zie figuur 2.26. Indien in plaats van de droge dichtheid ρ_dr de vochtige dichtheid ρ wordt beschouwd - door gebruikmaking van de schaalverdeling aan de rechterzijde -, liggen de proctorcurven uiteraard hoger en komt ook de curve van 100%-verzadiging anders te liggen. De formules van deze curven zijn af te lezen uit de tabel van figuur 2.3.

Bij toenemend energieniveau verschuift de kromme naar links en naar boven; hij blijkt tegen de lijn van 100%-verzadiging ‘aangevlijd’ te liggen. De top van de curve, de maximumproctordichtheid, verschuift in dat geval voor cohesieloos materiaal ongeveer langs een lijn van gelijke verzadigingsgraad S_r. Uit het voorgaande moge blijken dat de vorm en de ligging van de proctorkromme worden bepaald door de mineralogie, de korrelgrootteverdeling en de korrelvorm van de deeltjes in het betreffende monster, alsmede van het toegepaste verdichtingsniveau.

Opvallend zijn daarbij de verschillen tussen cohesieve, lemige, plastische gronden aan de ene kant en zand of grind aan de andere kant. De eerstgenoemde gronden vertonen uitgesproken ‘bergvormige’ krommen met een duidelijke top; de grove zanden en grinden blijken vlakke curven op te leveren zonder uitgesproken maximum. Dat betekent dat laatstgenoemde materialen bij verdichting in het algemeen ongevoelig zijn voor vocht. Alleen in relatief fijne zanden zal bij lage verzadigingsgraden een zekere schijnbare cohesie optreden, die de herschikking van de korrels en daarmee de verdichting van het materiaal in enige mate verhindert.

Daarnaast zijn er duidelijke verschillen te constateren tussen cohesieve, lemige, plastische gronden en niet- of weinig-cohesieve materialen (zoals zand en grind) wat betreft de verzadigingsgraad en het luchtgehalte bij de maximumproctordichtheid.

Een en ander wordt geïllustreerd door de grafieken van figuur 2.27, waarin voor een aantal grondsoorten de meetkundige plaats van de toppen van de proctorcurven is aangegeven. De niet- of weinig-cohesieve materialen, onderzocht door Floss [1970] en Lubking e.a. [1979], vertonen maximumproctordichtheden bij verzadigingsgraden van S_r = [50 - 75]%; de luchtgehalten variëren van n_a = [5 - 10]% bij de grovere materialen tot n_a = [10 - 15]% bij de fijnere, waartoe de typisch Nederlandse zandsoorten behoren. Meer cohesieve grondsoorten bezitten volgens onderzoekingen van CROW [1988], Striegler en Werner [1969] en Hilf [1975] maximumproctordichtheden die voor de goedgegradeerde materialen liggen bij verzadigingsgraden van S_r = [75 - 85]% en voor de meer kleiige en lemige grondsoorten bij verzadigingsgraden van S_r = [80 - 90]%. De luchtgehalten liggen voor deze materialen rond n_a = 5%.

Oorspronkelijk is de proctorproef ontworpen voor min of meer samenhangende gronden, waarbij de bereikte dichtheid sterk afhankelijk is van het vochtgehalte, zoals onder anderen door Jonker [1966] is betoogd. Toch wordt de proef in veel landen, waaronder Nederland, ook voor zand en grind als referentiebepaling gebruikt. De maximumproctordichtheid voor deze laatste materialen ligt bij verzadigingsgraden van S_r = [50 - 75]%, dat wil zeggen lager dan voor cohesieve, lemige of plastische materialen. Het luchtgehalte is daarbij ook 2 à 3 maal groter dan dat van klei- of leemgronden van dezelfde dichtheid.

Het optimumvochtgehalte ligt bij typisch Nederland zand meestal rond w_opt = [10 - 15]% en bij grind veel lager. Vooral bij grove, cohesieloze materialen is het optimumvochtgehalte, vanwege de vlakke vorm van de kromme, in veel gevallen weinig nauwkeurig te bepalen. Voor de praktijk is de ligging van het optimumvochtgehalte in die gevallen ook meestal van weinig belang. Tenzij het materiaal fijn of lemig is, vindt de in-situ-verdichting vrijwel altijd plaats bij lagere vochtgehalten, eenvoudigweg omdat de doorlatenheid van zand en grind meestal zo hoog is dat het materiaal van nature al weinig vocht bevat en eventueel toegevoegd water snel draineert.

Teneinde bij zand en grind te kunnen beschikken over proctorkrommen met een duidelijker top, wordt in sommige landen ook de ‘modified’ of verzwaarde proctorproef gebruikt als referentiebepaling. Het hoge energieniveau van deze proef kan echter verbrijzeling en afbrokkeling van de zand- en grinddeeltjes veroorzaken, hetgeen resulteert in een beter gegradeerd mengsel, dat vervolgens weer een hoger gelegen maximum van de proctorcurve bezit.

Bij toepassing van de verzwaarde proctorproef op loskorrelige materialen wordt dan ook vaak voorgeschreven dat bij elk nieuw punt van de curve, dat wil zeggen bij elk nieuw vochtgehalte, een nieuw representatief monster moet worden gebruikt. Deze procedure wordt soms ook bij de normale proef aanbevolen; bij beproeving van natuurlijk Nederlands zand wordt in dat geval echter geen verbrijzeling van betekenis gevonden.

Proctorcurven van zand en grind blijken voor lage vochtgehalten dichtheden op te leveren die weinig variëren. Nadat bij toenemend vochtgehalte een iets hogere dichtheid wordt bereikt, moet de proef vaak worden afgebroken omdat geen hoger vochtgehalte kan worden gerealiseerd. Het water loopt daarbij onder uit de proctorcilinder. Soms wordt aanbevolen de proef uit te voeren op volkomen droog materiaal; de bereikte dichtheid ligt dan veelal op minstens eenzelfde niveau als die bij het optimumvochtgehalte. Figuur 2.28, ontleend aan het onderzoek door Lubking e.a. [1979], illustreert dit voor Nederlandse zanden die verdicht werden met behulp van de verzwaarde proctorprocedure. Ook Arquié en Morel [1988] vermelden dit verschijnsel onder de naam ‘compactage à sec’.