Straten breien (video)

Empa-wetenschappers onderzoeken hoe wegen met eenvoudige middelen kunnen worden versterkt en na gebruik gemakkelijk kunnen worden gerecycled. Hun gereedschap is een robot en een paar meter touw.

Een robotarm legt een touwtje in een mandala-achtig patroon op een bed van grind. Wat een hedendaagse kunstvoorstelling lijkt, is fundamenteel onderzoek dat nieuwe wegen in de wegenbouw verkent. Enerzijds worden robotondersteunde bouwtechnieken voor wegenbouw getest die tot nu toe alleen in de bouwtechniek worden toegepast. Anderzijds is een nieuw type mechanische wapening bedoeld om de typische structuur van het wegdek te veranderen en zo waardevolle hulpbronnen in de toekomst te helpen besparen of zelfs wegdekken helemaal te recyclen.

Straten breienDe robotarm legt het ‘breipatroon’ uit. Empa-onderzoekers onderzoeken verschillende patronen in een aantal testreeksen. Afbeelding: Empa

Een idee uit bouwtechniek

Het idee komt voort uit een project van het Gramazio Kohler Research lab aan de ETH Zürich. Hier is het project eigenlijk opgevoed als een kunst- en onderzoeksproject. Pilaren die puur uit touw en grind waren opgestapeld, toonden aan dat een uitstekende stabiliteit kan worden bereikt door het grind eenvoudig met een draad in elkaar te grijpen – zonder cement als bindmiddel. Laboratoriumtesten toonden aan dat grindpijlers met een hoogte van 80 cm en een diameter van 33 cm bestand zijn tegen een druk van 200 kN, wat overeenkomt met een belasting van 20 ton.

 Asfalt bestaat ook uit stenen van verschillende groottes en een bindmiddel, bitumen. Zodoende hebben Martin Arraigada en Saeed Abbasion van Empa’s Concrete & Asphalt-lab het concept uit Zürich overgezet naar wegenbouw: "We willen weten hoe in de toekomst een recyclebare bestrating kan worden geproduceerd. Om dit te doen, gebruiken we voor het eerst gedigitaliseerde constructiemethoden in de wegenbouw’, zegt Arraigada .

Oprollen en wegwezen

Een koordversterkt wegdek dat geen bitumen nodig heeft, belooft een aantal voordelen. Omdat bitumen wordt gewonnen uit ruwe olie, komen luchtverontreinigende stoffen vrij tijdens de productie en ook later tijdens het gebruik. Bovendien maakt het asfalt vatbaar voor scheurvorming en vervorming en bovendien ondoordringbaar voor regenwater – ook dit zou kunnen worden overwonnen. Voor de onderzoekers is het ook denkbaar dat er gesteente wordt gebruikt dat anders niet geschikt is voor wegenbouw, maar minder zeldzaam is. Last but not least zorgt het proces voor een oprolbare en recyclebare bestrating.

Een touwtje en los grind

De twee onderzoekers gebruiken verschillende experimentele opstellingen om oplossingen voor bovengenoemde aspecten te testen. De robotarm speelt een centrale rol. Het plaatst de draad in een geprogrammeerd patroon op de op elkaar gestapelde lagen grind. Voor de mechanische testen worden vijf van deze lagen grind en draad op elkaar gelegd in een testbox, waarbij de bodem van de box bedekt is met een rubberen mat die het hele pakket aan de grond vastzet. Het simuleert het vervormbare bed waarop de bestrating wordt aangebracht. Het feit dat het touwtje precies hetzelfde is als het touw dat elke Zwitserse burger gebruikt voor het bundelen van oud papier, toont aan dat Empa-onderzoekers hier een volledig nieuw (en kosteneffectief) terrein aan het betreden zijn.

Straten breienEmpa-onderzoekers onderzoeken verschillende patronen in een aantal testreeksen. Afbeelding: Empa

Mechanische tests en computermodellering

Het grinddraadpakket wordt vervolgens beladen met een roterende plaat en met druk. Deze belastingtest toont aan: Door de afzonderlijke grindstenen met de draad te verstrengelen, kan het pakket een druk van 5 kN – een halve ton – weerstaan ​​zonder dat de stenen veel bewegen. Binnenkort zullen dynamische belastingtests met roldruk worden uitgevoerd, vergelijkbaar met de extreme omstandigheden die wegverhardingen moeten doorstaan.

Parallel aan hun laboratoriumexperimenten modelleren de onderzoekers alles in 3D op de computer met behulp van de Discrete Element Method (DEM). Dit zou de verplaatsing van individuele stenen en de trekkrachten die op de draad werken moeten onthullen – iets dat in het laboratorium niet kan worden onderzocht. Daarnaast worden ook verschillende patronen en maaswijdtes en hun effecten op de stabiliteit van de verharding nader onderzocht.