Onderzoek leefkwaliteit
UAntwerpen voerde een onderzoek uit naar de beleving van de leefkwaliteit in een aantal woonwijken in Vlaanderen. Dit onderzoek werd uitgevoerd samen met enkele projectpartners: Stad Antwerpen, het Opzoekingscentrum voor de Wegenbouw, en het Agentschap Wegen en Verkeer van de Vlaamse Overheid.
Het onderzoek bestaat enerzijds uit een aantal meetcampagnes en anderzijds een aantal bevragingen, waarvan de resultaten o.a. vergeleken zullen werden met de resultaten van het Schriftelijk Leefomgevingsonderzoek (SLO) uitgevoerd in opdracht van het departement Leefmilieu, Natuur en Energie (LNE).
Onderzoekers
AQ²UABit
In dit project wordt een innovatieve methodologie ontwikkeld om met behulp van de Laser Scanning Confocaal Microscoop (LSCM) het gedrag van bitumineuze bindmiddelen en mortel onder specifieke fysieke en mechanische omstandigheden, alsook de impact van verschillende additieven, te onderzoeken. Bitumen, een oliederivaat, is een belangrijk bindmiddel dat gebruikt wordt in asfaltmengsels, dakbaanmaterialen en emulsies. Naar aanleiding van de circulaire economie visie wordt van dit materiaal een hoger recyclinggehalte en een langere levensduur verwacht in toekomstige toepassingen. Dit biedt namelijk economische en ecologische voordelen. Een LCA-studie toonde aan dat een asfaltonderlaag met 40% asfaltgranulaat, ca. 25% goedkoper is en dat de totale milieubelasting met 6% vermindert ten opzichte 0% recycling. Een langere levensduur en kwaliteit vermijden mobiliteitsproblemen en cumulatieve schade. In de meeste gevallen worden beide aspecten bewezen door mechanische tests in het laboratorium. Efficiënt gebruik van dit materiaal vereist echter steeds meer wetenschappelijk inzicht in het structureel gedrag van het bitumen. Om de huidige duurzaamheidsvisie positief bij te stellen, moeten naast de mechanische eigenschappen ook de fysisochemische aspecten in aanmerking worden genomen. In het bijzonder dient dit te gebeuren bij hogere recyclingpercentages, vezelversterking en specifieke additieven, die het zelfherstellend vermogen en de weerstand tegen vermoeidheid verbeteren. Bovendien hebben we bij de ontwikkeling van innovatieve technologieën, zoals het toevoegen van slimme vezels, en het begrijpen van het gedrag van het bitumineuze mengsel, b.v. het verouderingsmechanisme, gevalideerde fysiso-chemische modellen nodig. In dit project worden de mechanische en fysico-chemische methodes gebruikt om de eigenschappen van bitumineuze monsters (bitumen en mortel) te onderzoeken. Er wordt een nieuwe technologie geïntroduceerd en gevalideerd: de nieuwste LSCM maakt metingen over een gebied van 50 mm mogelijk met een nanometer resolutie (5 nm in de Z-richting en 10 nm in de XY-richting). Met deze technologie kan het bitumenoppervlak snel (5 s meettijd) worden gescand om aspecten zoals beestructures (wasgehalte) en bitumencoating (adhesie tussen bindmiddel en granulaat) te visualiseren. Verder worden ook het oppervlakteprofiel en de filmdikten gemeten, wat belangrijk is in de analyse van bitumenmengsels. Ten slotte wordt er door het combineren van de kwalitatieve afbeeldingen met de Digital Image Correlation (DIC)-methodologie, gedetailleerde kwantitatieve resultaten verkregen en zullen wijzigingen in het bitumineuze mengsel op nanometerschaal, b.v. tijdens het mengen of helen, bepaald kunnen worden. De LSCM technologie zal samen met mechanische tests (Dynamic Shear Rheometer, trekproeven, Fraass-buigpunt) gebruikt worden om o.a. het verouderings- en herstellingsproces, recycling en het gebruik van additieven, zoals vezels, vermalen bandenrubber en verjongers te onderzoeken. Het project is onderverdeeld in drie stappen: - de integratie en aanpassing van deze nieuwe hightech-apparatuur aan bitumenonderzoek in EMIB-bitumenlaboratorium, inclusief Matlab-software voor gegevensanalyse; - de ontwikkeling van een methodologie voor het testen van bitumineuze monsters met behulp van een LSCM met het oog op een breed inzicht van bitumenmorfologie en fysischchemische mechanismen, gerelateerd aan veroudering / herstelling, verbeterd gebruik van additieven en ter verificatie voor mechanische testen. Een open-source database van 6 binders, met de fysisch-chemische en reologische eigenschappen, zal beschikbaar worden gesteld en een afgesloten database met de speciale binders zal beschikbaar zijn voor onderzoek binnen samenwerkingsverbanden. - uitwerken van valorisatietrajecten voor het ontwerpen van nieuwe materialen in een bitumineuze matrix, zoals slimme vezels of verbeterd rubber-gemodificeerd bitumen.
Fibre Bragg Gratings
The pavement design is rather complicated process because layered elastic theory just offers calculation results incongruent with the real state of pavements, ignoring the uneven, anisotropy and nonlinear stress-strain relationship of paving materials. It is divided into two distinct parts: an understanding of characterization of the materials used and assessment of vehicular loading; and the application of these to a design method. Asphalt material is considered to behave in a linearly viscoelastic manner; thus, its mechanical response is a continuous function of time and temperature. Considering the stiffness of the material, its behavior at lower temperatures is equivalent to a higher strain rate, such as the strain on pavement due to moving traffic. In the case of high stiffness, the strain on asphalt should ideally be measured directly for greatest accuracy; however, instruments capable of making such measurements are not generally available. In fact, a higher temperature or a lower strain rate, such as the strain caused by the subsidence of its foundation, results in an extremely low elastic modulus of asphalt; hence, rigid instruments, such as electrical foil strain gauges, are often assumed to have negligible stiffness. In such cases, the stress transferred from the asphalt to an embedded sensor decreases drastically, thereby reducing the sensitivity of the sensor reading [1]. It is very hard to devise an efficient method to determine realistic mechanical properties of the pavement. For this reason, there has been interest in improving all kinds of sensors to exhibit strain, stress and displacement with much higher precision starting already from early nineties. A number of different technologies have been developed over the last years, and among them, fiber Bragg grating (FBG) based sensors technique.
The Nobel Laureate Sir William Lawrence Bragg established the Bragg law in 1915, describing with a simple mathematical formula how X-Rays were diffracted from crystals. A fiber Bragg grating (FBG) is a distributed mirror in a short segment of the optical fiber, reflecting a limited wavelength range and transmitting all others. The working principle is based on a periodic variation of the refractive index of the fiber core which is acting as a wavelength-selective filter with a central reflecting wavelength. The sensing information is encoded in the optical spectrum which is reflected by the fiber Bragg grating. An external perturbation (temperature, strain) causes the central Bragg wavelength to shift [2].
Application of Fiber Bragg grating sensors (FBGs) in asphalt pavement structure is an advanced researching method which is a long-term and real-time process. Two new approaches to FBGs installation in three asphalt pavement layers were implemented for the first time in Belgium [3]: (1) installation of FBGs in prefabricated asphalt specimens in the base layer, directly on the base, and (2) installation of FBGs on the surface of the previously constructed asphalt layer. Both innovative approaches allow the implementation of FBGs without sawing the whole layer into two parts. The installation of the FBG monitoring system’s prototype was a part of a project—CyPaTs, in which a bicycle path (length—96 m and width—4 m) was accomplished over 3 days (one asphalt pavement layer per day) at UAntwerp. These new described methods of FBG installation—using a cross-section configuration to carry out strain measurements in two directions (transverse and longitudinal)— roved to be feasible to determine strains (µstrain scale), stresses and temperatures, both on a laboratory scale and in situ road constructions (field validation). FBGs can be applied for the monitoring of heavy-duty pavements, while providing the possibility to further re-evaluate current pavement design methods used in Flanders (Belgium).
[1] Imai M., Igarashi Y., Shibata M., Miura S. Experimental study on strain and deformation monitoring of asphalt structures using embedded fiber optic sensor, Journal of Civil Structural Health Monitoring, 4, pp. 209–220, 2014.[2] Van Hoe B., Lee G., Bosman E., Missinne J., Kalathimekkad S., Maskery O., Webb D. J., Sugden K., Van Daele P., Van Steenberge G. Ultra Small Integrated Optical Fiber Sensing System, Sensors , 12, pp. 12052-12069, 2012.[3] Kara De Maeijer P., Van den bergh W., Vuye C., Fiber Bragg gratings sensors in three asphalt pavement layers, Infrastructures 3(2), 16, 2018. https://doi.org/10.3390/infrastructures3020016
aB³ - Aged-Bitumen Bound Base
aB³, aged-bitumen bound base structure is het innovatieve resultaat van drie Hobufondsprojecten uitgevoerd aan de opleiding bouwkunde van de Hogeschool Antwerpen in de periode 1997-2006. In de lijn van het bouw- en sloopafvalplan richtte het onderzoek zich naar een nuttige toepassing van de afvalstof ‘bitumineuze dakbaan’ en de secundaire grondstof ‘asfaltpuingranulaat’. Beide producten hebben dezelfde basisgrondstoffen (steen, zand, vulstof en bitumen) en zijn dus potentiële secundaire grondstoffen voor warm geproduceerd asfalt. Bitumen is een recycleerbaar visco-elastisch plastisch grondstof dat gebruikt wordt om de inerte materialen aan elkaar te kleven. Een goede hechting en gepaste visco-elastische eigenschappen zijn cruciaal voor een duurzame wegstructuur.
In het onderzoek kwam naar voor dat hergebruik van beide bestanddelen in asfalt mogelijk was tot op een bepaald -eerder laag- aandeel, zonder kwaliteitsverlies in vergelijking met een nieuw referentieasfaltmengsel. Economisch en innovatief gezien was dit product oninteressant. De zoektocht naar alternatieve toepassingen leidde tot een nieuw concept voor de wegenbouw: een bitumineus gebonden fundering voor asfaltverharding. In dit concept wordt het mengsel, met ca. 45% asfaltpuingranulaat, 5% bitumineus dakbaanafval en 50% stenen- en zandmengsel ter vervollediging van de korrelopbouw, rechtstreeks op de ondergrond of onderfundering gelegd. Meteen konden een aantal troeven van dit materiaal uitgespeeld worden en negatieve eigenschappen geneutraliseerd: het zeer harde bindmiddel heeft een hoge weerstand tegen spoorvorming en zorgt voor een stijve onderlaag; het brosse bindmiddel wordt gebruikt onderaan de wegstructuur zodat de slechte oppervlakte-eigenschappen (rafeling) geen invloed hebben.
In 2001 en 2006 werden proefvakken aangelegd. Het eerste proefvak, een parking te Antwerpen voor zwaar belaste voertuigen, werd uitgevoerd met vier verschillende samenstellingen. Het tweede proefvak is een landelijke doch druk bereden weg in Beveren. Deze laatste weg bestaat uit drie secties met telkens een verschillend aB³-mengsel. De verwezenlijking van dit concept leerde ons dat aB³- mengsels kunnen geproduceerd, vervoerd en verwerkt kunnen worden conform asfalt. Een economische studie wees uit dat met de huidige marktprijzen het aB³ concept interessant is en een waardig alternatief vormt voor gebonden funderingsmengsels. Middels een analytische studie werd aangetoond dat het aB³-concept tevens een materiaalbesparing oplevert in vergelijking met een klassieke wegopbouw met dezelfde levensduur. De analytische studie werd voorzien van reële dynamisch-mechanische stijfheids- en vermoeiingstesten (O.C.W. en TU Delft).
Een evaluatie met deflectiemetingen in 2007 wees uit dat de aB³-proefvakken geen versnelde schade toonden.
In oktober 2010 werd, na een periode van optimalisatie, een nieuw proefvak aangelegd met i-aB³ (improved aged bitumen bound base) bij de heraanleg van de montignystraat in Antwerpen. Ook dit proevak blijkt tot op heden uitstekende duurzaamheidseigenschappen te vertonen.