Op naar asfalt dat zichzelf repareert

Technologie De snelwegen slijten door wielen en weer. Daarom werken wetenschappers aan ‘zelfhelend asfalt’. Met stalen draadjes of kattenbakgrind.

Gemma Venhuizen

Vandaag is de zwartste zaterdag van deze zomer – de drukste reisdag van dit jaar met vanaf zonsopgang zeer lange files in Frankrijk, Duitsland en Italië. De kleur zwart verwijst naar een dramatisch auto-ongeluk dat in juli 1982 op een Franse snelweg plaatsvond, maar roept ook associaties op met het zwarte wegdek. Want wie op vakantie met de auto gaat, ziet, naast pittoreske dorpjes en grandioze vergezichten, vooral veel asfalt. Uren en uren achtereen.

Dat wegdek, in Nederland zo’n 5.800 strekkende kilometer, zucht onder de autowielen en lijdt onder het weer. Scheuren, kuilen, opspattende steentjes – wereldwijd buigen wetenschappers zich over de wegdekproblematiek. Volgend jaar wordt in Delft alweer de zevende internationale Conference on cracking in pavements georganiseerd; eerder deze maand vond de jaarlijkse internationale Petersen Asphalt Research Conference plaats in Wyoming (VS). Daar waren onder meer lezingen te horen over asfaltmixen, asfaltveroudering en asfalt dat zichzelf repareert.

Zulk ‘zelfhelend’ asfalt is een populair onderzoeksonderwerp momenteel. Het is een asfaltsoort waarbij minieme scheurtjes in het wegdek vanzelf weer dichtvloeien. Juist op dat gebied is Nederland (samen met China en Spanje) een van de koplopers. Die koppositie hangt voor een groot deel samen met het soort asfalt dat wij gebruiken: 90 procent van de snelwegen, pakweg 5.200 kilometer, bestaat uit Zeer Open Asfalt Beton (ZOAB). Dit is een mengsel van grind met bitumen – een van de zware bestanddelen van aardolie. Als brandstof is bitumen ongeschikt, maar als bindmiddel is het ideaal: juist doordat het zo zwaar en stroperig is (pas boven de 60 graden Celsius wordt het weer vloeibaar) kunnen er stevige wegen mee worden gebouwd. “Tot aan de jaren negentig werd teer vaak als bindmiddel gebruikt, maar dat is nu verboden vanwege het te hoge gehalte schadelijke stoffen voor gezondheid en milieu”, aldus Caroline Berg van CROW, het nationale kennisplatform voor infrastructuur, verkeer, vervoer en openbare ruimte.

Sterretjes in autoruiten

In ZOAB is het grind met bitumen aan elkaar gekit, maar wel zodanig dat er lucht tussen de korrels blijft: tot 20 procent van het materiaal bestaat uit holle ruimte. “Voordeel is dat het daardoor zowel regenwater als geluid goed absorbeert”, vertelt Berg. “Nadeel is dat de levensduur wordt ingekort. Luchtstroming en binnensijpelend regenwater zorgen ervoor dat het bitumen oxideert en bros wordt, waardoor de steentjes los komen te zitten.”

Die steenslag (‘rafeling’) is vervelend voor automobilisten – maar al te vaak ontstaan er sterretjes in autoruiten door opspattend grind. Een irritatie die binnenkort tot het verleden behoort, als het aan Erik Schlangen van de Technische Universiteit Delft ligt. Binnen het Microlab (gespecialiseerd in onderzoek naar materialen die bij het bouwen van tunnels, bruggen en wegen worden gebruikt) is hij met collega-ingenieurs sinds enkele jaren bezig met de ontwikkeling van zelfhelend asfalt. Schlangen: “Elke asfaltweg die je lang genoeg met rust laat en aan de volle zon blootstelt, kan zichzelf in feite repareren. Het bitumen gaat vloeien en vult de kieren op. Maar in de praktijk komt het daar meestal niet van: de Nederlandse wegen worden te druk bereden en het is te vaak bewolkt. Het asfalt krijgt de kans niet om tot rust te komen.” Daarom hebben de Delftse onderzoekers een manier ontwikkeld om het asfalt te hulp te schieten. Met staalwol afkomstig uit een Amerikaanse schuursponsjesfabriek. “De enige fabrikant die ons 1-centimeter-lange vezels wilde leveren.”

Die staalwolvezels worden bij de asfaltproductie door het mengsel van bitumen en grind gemengd. Schlangen: “Als je daar vervolgens een magnetische spoel met wisselstroom overheen beweegt, dan wordt er stroom opgewekt in de geleidende en magnetisch gevoelige vezels. Door interne weerstand ontstaat warmte, die het omringende bitumen verhit. Het hele proces is vergelijkbaar met dat van een inductiekookplaat of een magnetron.”

In de praktijk zou het zo moeten gaan: wanneer ergens in het asfalt kleine scheuren ontstaan door brokkelig bitumen, wordt een verrijdbare spoel een paar minuten boven de bewuste plek in werking gesteld. De temperatuur stijgt tot 70 à 80 graden Celsius. Niet hoger, want dan vindt te veel oxidatie plaats, maar genoeg om het bitumen vloeibaar te maken en de scheuren te laten opvullen.

Scheuren in het asfalt

Het plan ontstond na een asfaltproject van adviesbureau Intron enkele jaren geleden: dat wilde ‘uitrolbaar’ asfalt ontwikkelen. Geen ingewikkeld gedoe meer met storten en walsen, maar gewoon wegdek kopen vanaf de rol, alsof het tapijt betreft. Schlangen: “De asfaltbekleding zou met behulp van een inductieapparaat aan een ondergrond van staalgaas worden geplakt. De methode werkte in principe wel, maar de kwaliteit van het asfalt was niet toereikend.” Het uitrolbaar-asfaltproject werd gestaakt; de spoel was nutteloos geworden. Schlangen: “Toen stelde ik voor om de inductiemethode toe te passen bij zelfhelend asfalt.”

Het inductieasfalt lijkt vooralsnog goed te werken, althans in een laboratoriumsetting. Schlangen: “In december 2010 hebben we een proefvlak van 400 meter op de A58 bij Middelburg bekleed met een 2,5 centimeter dikke laag inductieasfalt. Pas over pakweg vijf jaar kunnen we zeggen of het werkt – in normaal ZOAB treden na die periode pas de eerste scheurtjes op. Als er voor die tijd al barsten ontstaan in het proefvlak, zou dat geen goed teken zijn.” De labsetting bestaat uit een verouderingsoven – na een paar weken stoven op 85 graden Celsius komt het asfalt eruit alsof het vijf jaar oud is – en een ‘Weather-o-meter’. Daarmee kunnen allerlei weersomstandigheden worden nagebootst, zoals regen, vrieskou en uv-straling. Grote scheuren kunnen door het inductieasfalt moeilijk worden opgevuld, maar volgens Schlangen is dat geen probleem. “Je moet er gewoon op tijd bij zijn. Zo’n grote scheur begint vaak klein.”

Is het economisch eigenlijk rendabel, zulk inductieasfalt? “De materiaalkosten vallen 25 procent hoger uit dan normaal, maar naar verwachting gaat een inductiewegdek twee keer zo lang mee”, zegt Schlangen. Rijkswaterstaat heeft in november 2010 zelfs berekend dat er tot 90 miljoen euro op jaarbasis kan worden bespaard als inductieasfalt op grote schaal wordt ingezet.

Mocht het toch niet blijken te werken, dan kan er natuurlijk altijd nog voor worden gekozen om het ZOAB te vervangen door andere asfaltsoorten. Maar, zo benadrukt Caroline Berg van het CROW, elk type heeft zijn eigen zwaktes. “In dicht asfaltbeton worden de grinddeeltjes zo dicht mogelijk op elkaar gepakt, zodat er weinig holle ruimtes zijn en een minimum hoeveelheid van het dure bitumen gebruikt hoeft te worden. Keerzijde is de slechte waterabsorptie en dito geluiddemping.” Bij steenmastiekasfalt worden de holle ruimtes grotendeels met zand opgevuld. “Goed voor de levensduur, maar erg kostbaar.” Gietasfalt, dat vrijwel volledig uit bitumen bestaat, heeft als minpunt dat het makkelijk vervormt. “Als de zon de hele dag op het asfalt brandt, kan de temperatuur oplopen tot boven de 60 graden Celsius, waarbij het bitumen zacht wordt.” Een situatie die je ’s zomers regelmatig op kleine wegen in zuidelijke landen tegenkomt, wanneer je met je schoenzolen in de dikke asfaltstroop blijft plakken.

En in België, zegt Schlangen, maken ze veel gebruik van betonwegen, omdat die duurzamer zijn. “Ze gaan tot wel 40 jaar mee. Omdat beton krimpt, wordt het wegdek om de vijf meter ingezaagd en dat voel je als je eroverheen rijdt. Soms wordt er bovenop het beton een laag asfalt gestort, maar dan krijg je boven de zaagsneden alsnog scheurvorming.” Maar over een paar jaar kunnen we misschien niet langer op gevoel herkennen of we de grens met België zijn overgestoken: steeds vaker wordt ook daar ZOAB toegepast. Of fluisterasfalt, zoals de Vlamingen het zo mooi noemen. In Duitsland zijn veel snelwegen van asfaltbeton. Iets minder waterdoorlatend, waardoor het gevaar van aquaplaning groter is. En het is ook lawaaieriger.

Gaten in het wegdek

Hoeveel geluid een snelweg produceert, hangt af van het aantal voertuigen, de toegestane snelheid en het asfalttype. Annette Kraft van Ermel van Rijkswaterstaat: “Binnen bewoonde gebieden varieert een acceptabele geluidbelasting tussen de 50 en 65 decibel. Komt de geluidsdruk daarboven, dan moeten er maatregelen worden genomen. Bijvoorbeeld door geluidsschermen te plaatsen, of het wegdek stiller te maken.’

Ten opzichte van gewoon ‘dicht’ asfaltbeton zorgt ZOAB bij een snelheid van 120 kilometer per uur voor een reductie van zo’n 4 decibel. Speciaal ‘tweelaags’ ZOAB (bestaande uit een fijne ZOAB-laag bovenop een grovere ZOAB-laag) leidt zelfs tot een vermindering van 6 dB. Nog steeds een te kleine reductie, vindt Rijkswaterstaat: het streven is een geluidsreductie van 10 dB. Daarom is Rijkswaterstaat een proef begonnen met een rubberen toplaag: een mix van rubberkorrels uit vrachtwagenbanden, steentjes en hechtmiddel. De verwachtingen rondom deze Japanse vinding waren hooggespannen. Nederland had de primeur het rubberwegdek onder snelwegomstandigheden te testen. Eind 2009 werd een proefvlak aangelegd op de A50 bij Apeldoorn. Rijkswaterstaat sprak van het stilste asfalt ter wereld, waarmee een reductie van 8 dB kon worden gehaald. Maar na enkele maanden werd de test stopgezet: er bleken grote gaten in het wegdek te vallen. De rubberen toplaag was te kwetsbaar en werd bovendien te glad met nat weer. Kraft van Ermel: “Doordat het materiaal op een betonnen onderlaag was gelegd, kon het water niet goed weglopen en ontstonden er gaten in het rubberen oppervlak.” Momenteel beraadt Rijkswaterstaat zich op oplossingen. “De rubberen toplaag is bijvoorbeeld aanzienlijk slijtvaster als die wordt gelegd over ZOAB, dat water veel sneller afvoert.” Eind 2011 wordt een beslissing genomen over het vervolgonderzoek.

Een ander tot op heden onopgelost asfaltprobleem is dat van de ‘kuilen’ bij stoplichten. Doordat auto’s daar zo regelmatig afremmen en optrekken, stroopt het asfalt als het ware op. Schlangen: “Eigenlijk wil je dat het asfalt op die plekken zo stijf mogelijk is, terwijl het op andere wegdelen juist flexibel moet zijn, om scheurvorming te voorkomen.”Wat die flexibele wegdelen betreft wordt geëxperimenteerd met toevoeging van elastische polymeren aan de bitumen-steenmix, wat goede resultaten oplevert.

Het bedrijf Latexfalt uit Koudekerk aan den Rijn heeft twee jaar geleden een polymeertoepassing ontdekt voor een in eerste instantie voornamelijk cosmetisch probleem: het voorkómen van zwarte strepen, veroorzaakt door asfalttrucks. “Wegen bestaan uit een laag asfalt van zo’n dertig centimeter dik, bovenop een funderingspakket”, legt directeur Bert Jan Lommerts uit. “Het asfalt zelf is opgebouwd uit diverse lagen, die aan elkaar hechten door middel van kleeflagen. Zo’n kleeflaag is een emulsie van oliedruppeltjes in water en blijft niet alleen aan het asfalt plakken, maar ook aan de banden van de asfalttrucks. Die laten vervolgens een zwart spoor achter op naburige wegen – geen fraai gezicht als dat net een rood fietspad of een historische kasseienweg betreft.”

Latexfalt ontwikkelde een krachtige en streepvrije kleeflaag met behulp van een biopolymeer, geproduceerd door schimmels. “Welke schimmels dat precies zijn, houden we nog even voor onszelf. Momenteel zijn we de emulsie ook aan het toepassen bij de renovatie van ZOAB-oppervlakken. Met behulp van het biopolymeer kunnen ZOAB-steentjes beter worden vastgekit, waardoor er minder steenverlies zal optreden en er bij vorst minder snel scheuren zullen ontstaan. De eerste resultaten zijn veelbelovend.”

In Delft wordt ondertussen verder gewerkt aan een nieuw type zelfhelend asfalt. Daarin zitten kleine capsules die op plaatsen van scheurvorming olie kunnen afgeven. Schlangen: “In eerste instantie leek deze methode minder geschikt dan de inductieaanpak, omdat het heel lastig was goede oliecapsules te ontwerpen die de hitte tijdens het asfaltmengen overleven. Je wilt dat ze pas barsten als het nodig is.” Nu lijken de onderzoekers de sleutel tot succes gevonden te hebben: kattenbakgrind. “Poreus genoeg om de olie op te nemen en toch heel stevig.” De bedoeling is dat de korrels de olie vrijgeven zodra het omliggende bitumen bros wordt.

Maar zelfs als die aanpak succesvol blijkt, heeft inductieasfalt nog een streepje voor. “Het voordeel van geleidende wegen is dat je ze makkelijk kunt verwarmen. Ideaal om de wegen in de winter ijsvrij te houden, bijvoorbeeld.” Vooropgesteld dat het proefvlak bij Middelburg eerst deze zomer vol zwarte zaterdagen doorstaat, uiteraard.