• Nie Znaleziono Wyników

Characterization of Failure and Permanent Deformation Behaviour of Asphalt Concrete

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Characterization of Failure and Permanent Deformation Behaviour of Asphalt Concrete"

Copied!
290
0
0

Pełen tekst

(1)

         

Characterization of Failure and 

Permanent Deformation 

Behaviour of Asphalt Concrete 

                        JINGANG WANG               

(2)
(3)

 

 

Karakterisering van het Faal‐ en 

Blijvende Vervormingsgedrag van 

Asfaltbeton 

          Proefschrift    

ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft,

op gezag van de Rector Magnificus prof.ir. K.C.A.M. Luyben, voorzitter van het College voor Promoties,

in het openbaar te verdedigen op woensdag 08 Juli 2015 om 10:00 uur         Door

Jingang Wang

Master of Science in Material Science Wuhan University of Technology, China Geboren te Zaoyang in Hubei Province, China

     

(4)

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: Prof. dr. ir. A.A.A. Molenaar

Prof. S.P. Wu, BSc., MSc., PhD. Copromotor

Ir. M.F.C. van de Ven

Samenstelling promotiecommissie:

Rector Magnificus, Technische Universiteit Delft, voorzitter Prof. dr. ir. A.A.A. Molenaar, Technische Universiteit Delft, promotor Prof. S.P. Wu, BSc., MSc., PhD. Wuhan University of Technology, promotor Ir. M.F.C. van de Ven, Technische Universiteit Delft, copromotor Prof. G. Thenoux, BSc., MSc., PhD. Pontificia Universidad Católica de Chile Prof. K.J. Jenkins, BSc., MSc., PhD. Stellenbosch University

Prof. dr. A. Scarpas, Technische Universiteit Delft

Dr. ir. Z. Su, Icopal BV, Groningen

Prof. dr. ir. H.E.J.G. Schlangen, Technische Universiteit Delft, reserve lid

Published and distributed by:

Jingang Wang

Section of Road and Railway Engineering Faculty of Civil Engineering and Geosciences Delft University of Technology

P.O.Box 5048, 2600 GA Delft, the Netherlands

Email: Jingang.Wang@tudelft.nl; jingang1126@gmail.com ISBN 978-94-6203-863-9

Printing: Wohrmann Print Service, Zutphen, The Netherlands © 2015 by Jingang Wang

All rights reserved. No part of the material protected by this copyright notice may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without written consent from the publisher.

(5)

                             

I dedicate this dissertation to my parents 

                             

(6)

                                     

(7)

Acknowledgements 

The research presented in this dissertation was conducted at the former Road  and  Railway  Engineering  (RRE)  section  of  the  Faculty  of  Civil  Engineering  and  Geosciences  of  the  Delft  University  of  Technology.  The  research  was  mainly funded by the Chinese Scholarship Council (CSC). In addition, during  the  last  year  financial  support  came  from  the  RRE  section.  This  PhD  project  originated  from the cooperation between the Delft University of Technology  and  Wuhan  University  of  Technology.  The  initiators  made  great  efforts  to  build  an  excellent  cooperation  between  these  two  organizations.  I  wish  to  extend  my  gratitude  to  these  organizations  and  individuals  for  their  great  support. 

Looking back to the process of this PhD project, I would like to conclude that  a  journey  of  pursuing  a  PhD  degree  is  like  a  marathon.  Although  knowing  that finishing a PhD research abroad means an unprecedented great challenge,  it  is  also  irresistible  for  a  passionate  young  man  who  wants  to  be  different.  This  journey  is  fairly  lengthy  and  full  of  uncertainties;  it  is  not  possible  to  complete  it  without  the  contribution  and  support  from  amazing  people.  Therefore I would like to express my sincere gratitude to all of them on this  special occasion. 

First  of  all,  the  greatest  respect  and  the  deepest  appreciation  go  to  my  promotor,  Prof.dr.ir.  A.A.A.  Molenaar.  He,  in  my  heart,  is  a  very  amiable  friend  in  my  life  and  a  learned  mentor  in  my  study.  He  always  encouraged  me  and  provided  me  with  valuable  guidance  throughout  every  stage  of  my  PhD  study.  The  respect  to  him  is  not  only  because  of his  academic  attitudes  and  achievements  but  also  because  of  his  wise  philosophy  of  life.  I  greatly  appreciate his critical and thought‐provoking comments on the outputs of my  study and his efforts on the revision of the draft thesis. In the meantime I also  wish to extend my appreciation to my promotor Professor Shaopeng Wu for  his valuable academic advice. He has shown me the promising research field  and helped me grabbing the golden opportunity of studying abroad. Without  his  insightful  guidance  and  constant  encouragement,  it  would  have  been  impossible for me to accomplish my Master and PhD study. 

I am very grateful for working with my daily supervisor Associate Professor  Martin van de Ven. He is a very supportive and thoughtful man. He always  provided me with suggestions and help whenever needed. His patience and  guidance to my study are deeply appreciated. I also would like to extend my  sincere  gratitude  to  Professor  Kim  Jonathan  Jenkins  from  Stellenbosch  University  in  South  Africa.  Much  appreciation  goes  to  him  for  his  support  and  understanding  for  my  research.  The  supports  offered  by  Prof.dr.  A. 

(8)

Scarpas,  Prof.dr.ir.  S.M.J.G.  Erkens  and  Ir.  H.J.M.  Lambert  are  also  greatly  appreciated.  

I also would like to present my thanks to all the colleagues of the Road and  Railway  Engineering  section.  The  extensive  laboratory  experimental  works  could  not  have  been  finished  without  the  guidance  and  assistance  provided  by the laboratory staff Marco Poot, Jan‐Willem Bientjes, Dirk Doedens and Jan  Moraal.  Many  thanks  go  to  our  secretaries,  Jacqueline  Barnhoorn  and  Sonja  van de Bos for their daily assistance. Special thanks to Ing. W. Verwaal, P.M.  Meijvogel  and  J.G.  van  Meel  for  their  help  in  performing  the  CT  scans  and  data preprocessing. Words of thanks are also extended to my PhD colleagues:  Mo,  Gang,  Dongxin,  Jian,  Yue,  Ning,  Quantao,  Mingliang,  Pengpeng,  Yuan,  Dongya,  Milliyon,  Pungky,  Diederik,  Mohamad,  Alemgena,  Sadegh.  Especially, thanks go to the Railway fellows: Xiangming, Haoyu, Shaoguang,  Zilong, Zhen, Xiangyun, Lizuo, Chen, Chang, Zhiwei, Yuewei, Maider, Marija  and Nico. I really enjoyed my time with them. 

I  also  appreciate  the  time  being  with  my  dear  friends:  Hongbin,  Liyuan,  Yuguang, Bin, Qian, Jinlong, Fangliang, Zhuqing, Haoliang, Liangyue and so  many others. With them, life during my PhD was much easier and joyful.   To my parents I dedicate this dissertation as a token of appreciation for their  great support and endless love. During those years when I studied abroad my  parents always missed me so badly and only weekly long‐distance calls could  make  them  feel  better.  Being  their  son,  I  understand  their  hearts  and  feel  so  sorry for such a long time without my company. I also would like to give my  deepest thanks to the family of my sister for their understanding and support.  Great  gratitude  goes  to  my  sister  and  brother‐in‐law  for  their  good  cares  of  our parents and my little nephews who bring a lot of joy to our whole family.  Much appreciation also goes to my relatives for their ongoing support.          Jingang Wang  2015.03         

(9)

Summary 

Asphalt concrete is a viscoelastic material consisting of aggregates, filler and  bitumen.  The  response  of  asphalt  concrete  is  highly  dependent  on  temperature,  loading  rate  and  confining  pressure.  Permanent  deformation  is  one of the most important distresses developing during the flexible pavement  service life. The total deformation which is visible at the pavement surface is  the  sum  of  the  deformation  that  developed  in  each  and  every  layer.  In  this  thesis  however  attention  will  only  be  paid  to  permanent  deformation  of  the  asphalt  layers.  The  main  goal  of  this  research  was  to  investigate  and  better  understand the permanent deformation behaviour of asphalt mixtures at 50°C  which is a temperature that regularly occurs in asphalt wearing courses in the  Netherlands and which therefore is applied in the Dutch standard for testing  the resistance to permanent deformation of wearing courses.  

The  thesis  is  divided  in  two  parts.  The  first  part  focuses  on  sample  preparation, testing procedures and fundamental properties of dense asphalt  concrete (DAC) and porous asphalt concrete (PAC) mixtures and skeletons. In  the second part the focus is on the prediction of permanent deformation.  In  the  first  part  of  this  research  special  attention  was  paid  to  the  following  aspects: 

Effects of end constraints on test results  

Friction  between  the  ends  of  the  specimen  and  the  top  and  bottom  loading  platens introduces extra confinement at the top and bottom of the specimen.  In  this  research  an  extensive  monotonic  compressive  testing  program  was  performed  on  DAC  and  PAC  mixtures  under  two  different  end  contact  conditions  being  full  friction  and  reduced  friction.  “Full  friction”  was  achieved  by  gluing  the  specimen  to  the  top  and  bottom  loading  platens.  “Reduced  friction”  was  obtained  by  using  a  sandwich‐shaped  friction  reduction  system  which  consisted  of  two  thin  rubber  sheets  and  vacuum  grease  in  between.  The  results  show  that  in  the  case  of  “full  friction”  the  failure  stress  is  overestimated  and  the  displacement  at  failure  is  underestimated.  The  results  also  show  that  in  the  case  of  uniaxial  testing  without  confinement  and  when  using  the  friction  reduction  system,  a  deformation  correction  is  needed  to  obtain  the  true  deformation  of  the  specimen.  When  confining  pressure  is  applied  deformations  due  to  the  friction reduction system can be ignored.  

The stress‐strain behaviour of asphalt mixtures  

The  permanent  deformation  behaviour  of  asphalt  mixtures  is  highly  dependent on temperature, stress conditions and number of load repetitions.  A  better  understanding  of  the  stress‐strain  behaviour  of  asphalt  mixtures  is 

(10)

beneficial for a better understanding of the permanent deformation. Therefore  an  extensive  monotonic  compressive  test  program  was  conducted  on  DAC  and PAC at 40°C and 50°C with 3 various confining pressures and 5 different  loading rates. The test results showed that the stress‐strain behaviour of DAC  significantly  depends  on  temperature,  strain  rate  and  confinement.  The  results also showed that at high temperatures the PAC mixture behaves much  alike a granular material with little cohesion. In this case the skeleton of PAC  plays  a  significant  role  in  the  mechanical  behaviour  and  this  behaviour  is  highly dependent on the level of confinement.  

Behaviour of aggregate skeletons  

Permanent  deformation  develops  at  elevated  temperatures.  At  elevated  temperatures, the contribution of the aggregate skeleton becomes crucial. For  this  reason  monotonic  compressive  tests  were  conducted  on  DAC  and  PAC  skeletons  at  two  strain  rates  and  two  confining  pressure  levels.  The  stress‐ strain  behaviour  of  the  DAC  and  PAC  skeleton  were  compared  with  the  stress‐strain  behaviour  of  both  mixtures.  The  results  implied  that  the  bituminous mastic in DAC acts as a binder and contributes to the behaviour  of the DAC asphalt mixture. The results also showed that the PAC aggregate  skeleton shows typical elastoplastic behaviour regardless of the strain rates.   In  the  second  part  of  this  thesis  repeated  load  triaxial  tests  to  study  the  development of permanent deformation were performed on the DAC mixture  at 50°C and the following questions related to permanent deformation of the  DAC mixture were discussed.  

Scatter observed in permanent deformation results 

A power function was used to model the obtained permanent deformation. A  large  scatter  in  the  model  parameters  was  observed  even  at  the  same  stress  ratio for selected test specimens. The possible relation between the scatter on  one hand and the air voids content and resilient modulus of specimens on the  other was studied. CT scanning was used to investigate the internal structure  of  the  intact  and  tested  specimens.  The  results  showed  that  there  is  no  clear  relationship  between  air  voids  and  the  parameters  describing  the  development  of  the  permanent  deformation  with  increasing  number  of  load  repetitions.  The  results  also  showed  that  the  model  parameters  were  stress  dependent  and  a  strong  relationship  was  found  between  the  model  parameters and the resilient modulus after 1000 load repetitions. The CT scan  results  showed  that  different  failure  modes  took  place  in  the  permanent  deformation tests and that the internal structure of specimens is important for  the  development  of  permanent  deformation.  It  is  believed  that  part  of  the  scatter  in  the  test  results  can  be  explained  by  the  variation  in  internal  structure. 

(11)

Influence of loading pattern on permanent deformation 

The  influence  of  different  loading  pulses  and  rest  times  on  the  permanent  deformation  of  DAC  was  also  investigated  by  performing  Triaxial  Repeated  Load Permanent Deformation (TRLPD) test. The tests were performed at two  different loading patterns, being 0.2 s load + 1.8 s rest and 0.4 s load + 0.6 s rest,  and at two confinement levels of 150 kPa with a stress ratio 0.43 and 100 kPa  with a stress ratio 0.3. The results showed that the stress ratio has a significant  influence  on  the  permanent  deformation  while  the  loading  time  has  little  influence on the development of permanent deformation. At the same stress  level it seems that the longer loading time does not result in larger permanent  deformation. 

Evolution of the resilient modulus in relation to the number of load repetitions 

In  order  to  obtain  a  better  understanding  of  the  relationship  between  permanent  strain  and  resilient  strain  which  is  developed  in  the  DAC  test  specimens during the repeated load triaxial tests, the evolution of the resilient  modulus  of  DAC  with  the  number  of  load  repetitions  was  investigated  and  modelled.  The  results  showed  that  the  resilient  modulus  of  DAC  reduced  during the first load repetitions and tended to take a constant value after 1000  load repetitions.  

Evolution of Burgers’ model parameters in relation to the number of load repetitions 

The measured total strain was decomposed into elastic strain, delayed elastic  strain  and  viscous  permanent  strain  and  modelled  by  means  of the  Burgers’  model. The evolution of Burgers’ model parameters obtained at two different  loading patterns was investigated in this study. It was found that the value of  the  parameter  representing  the  dashpot  in  series,  used  for  modelling  the  permanent deformation, increased with increasing number of load repetitions  and  tended  to  be  constant  after  thousands  of  load  repetitions.  This  value  however  strongly  decreased  when  dilation  of  the  specimen  occurred.  The  loading  pattern  had  a  significant  influence  on  the  value  of  this  viscous  parameter  

Shake down limit in permanent deformation of DAC 

In  order  to  explore  the  existence  of  a  shakedown  limit  for  the  tested  DAC  mixture,  five  representative  permanent  deformation  tests  were  analyzed.  From  this  analysis  it  appeared  that  below  a  stress  ratio  of  0.3  (the  ratio  of  applied  vertical  stress  to  vertical  stress  at  failure  at  the  same  confinement  level)  only  a  limited  amount  of  permanent  deformation  developed  after  a  large number of load repetitions. The stress ratio of 0.3 is proposed to be the  shake down limit at 50°C for the test conditions and DAC mixture used in this  research.  

(12)

Permanent deformation modeling based on Dissipated Energy Concept 

Most  of  the  permanent  deformation  prediction  models  are  simply  relating  permanent  deformation  to  stress  conditions  and  the  number  of  load  repetitions.  In  this  study  a  permanent  deformation  model  was  developed  based on dissipated energy. It was shown that the initial dissipate energy, the  applied stress level and the number of load repetitions explain very well the  permanent deformation development.                     

(13)

Samenvatting  

Asfalt  is  een  visco‐elastich  materiaal  dat  bestaat  uit  aggregaat  (steen,  zand,  vulstof)  en  bitumen.  De  respons  van  asfalt  is  sterk  afhankelijk  van  temperatuur, belastingtijd en steundruk. Permanente deformatie is een van de  belangrijkste  schadebeelden  die  zich  kunnen  ontwikkelen  tijdens  de  levensduur van een flexibele verharding. De totale deformatie die zichtbaar is  aan  het  oppervlak  is  de  som  van  de  blijvende  deformatie  die  in  elke  laag  optreedt. In dit proefschrift wordt echter alleen aandacht geschonken aan de  blijvende vervorming van de asfaltlagen. Het hoofddoel van deze thesis is het  onderzoeken  en  beter  begrijpen  van  het  permanente  deformatiegedrag  van  asfaltmengsels bij een temperatuur van 50°C, omdat dit de temperatuur is die  regelmatig voorkomt in asfaltdeklagen en daarom ook toegepast wordt in de  Nederlandse  Standaard  voor  onderzoek  naar  permanente  deformatie  van  deklagen.  

Deze  thesis  bestaat  uit  twee  delen.  In  het  eerste  deel  is  de  focus  op  proefstukbereiding,  testprocedures  en  fundamentele  eigenschappen  van  dichtasfaltbeton  (DAB)  en  zeer  open  asfaltbeton  (ZOAB),  zowel  voor  het  mengsel als het skelet. In het tweede deel is de focus op de voorspelling van  permanente deformatie. 

In het eerste deel is speciaal aandacht gegeven aan:  

Effecten van de eindopsluiting op de proefresultaten  

Wrijving  tussen  de  uiteinden  van  het  proefstuk  en  de  belastingplaten  boven  en  onder  veroorzaken  extra  steundruk  aan  de  boven‐  en  onderkant  van  het  proefstuk.  De  DAB‐  en  ZOAB‐mengsels  zijn  beproefd  onder  twee  verschillende  contactcondities  aan  de  uiteinden  van  de  proefstukken,  namelijk  volledige  wrijving  en  sterk  gereduceerde  wrijving.  “Volledige  wrijving” werd gerealiseerd door het proefstuk aan de boven‐ en onderplaat  te  lijmen.  “Gereduceerde  wrijving”  werd  verkregen  met  een  sandwichachtig  wrijvingsreductie systeem bestaande uit twee dunne rubberen vellen met een  smeermiddel ertussen. Uit de resultaten blijkt dat in het geval van “volledige  wrijving” de faalspanning wordt overschat en de verplaatsing bij falen wordt  onderschat.  In  het  geval  van  “gereduceerde  wrijving”  blijkt  dat  er  bij  uni‐ axiale proeven zonder steundruk een correctie nodig is om de effecten van de  vervorming  van  het  wrijvingsreductiesysteem  te  compenseren  en  de  werkelijke  verplaatsing  van  het  proefstuk  te  verkrijgen.  Als  echter  een  steunspanning  aanwezig  is  kunnen  de  effecten  van  verplaatsingen  van  het  wrijvingsreductie systeem worden verwaarloosd.  

   

(14)

Het spannings‐vervormingsgedrag van asfaltmengsels 

Het  permanente  deformatie  gedrag  van  asfaltmengsels  is  sterk  afhankelijk  van de temperatuur, spanningscondities en het aantal lastherhalingen. Kennis  van  het  spannings‐vervormingsgedrag  van  asfaltmengsels  is  essentieel  voor  een beter begrip van permanente deformatie. Deze kennis is verkregen door  monotone  drukproeven  uit  te  voeren  op  DAB  en  ZOAB  bij  40°C  en  50°C  onder  3  verschillende  steundrukken  en  5  verschillende  verplaatsings‐ snelheden. Uit de proefresultaten blijkt dat het spannings‐vervormingsgedrag  van  DAB  sterk  afhankelijk  is  van  temperatuur,  vervormingssnelheid  en  steundruk.  Ook  bleek  dat  bij  hoge  temperaturen  het  ZOAB  mengsel  zich  gedraagt  als  een  granulair  materiaal  met  enige  cohesie.  Het  aggregaatskelet  van  ZOAB  bepaalt  het  mechanisch  gedrag  en  zoals  verwacht  is  dit  gedrag  sterk afhankelijk van de hoogte van de steundruk.  

Het gedrag van het aggregaat skelet  

Permanente  deformatie  treedt  op  bij  hoge  temperaturen.  Bij  hoge  temperaturen wordt de bijdrage van het aggregaatskelet essentieel. Om dit te  onderzoeken  zijn  monotone  drukproeven  uitgevoerd  op  de  DAB  en  ZOAB  aggregaatskeletten bij twee steundrukniveaus en twee vervormingssnelheden.  Vervolgens  is  het  spannings‐vervormingsgedrag  van  het  DAB  en  ZOAB  skelet vergeleken met het spannings‐vervormingsgedrag van beide mengsels.  Uit de resultaten blijkt dat de mastiek in DAB functioneert als een bindmiddel  en een belangrijke bijdrage levert. Ook bleek duidelijk dat het aggregaatskelet  van ZOAB typisch elasto‐plastisch gedrag vertoont dat niet afhankelijk is van  de vervormingssnelheid.  

In  het  tweede  deel  van  het  onderzoek  zijn  tri‐axiaal  proeven  met  herhaalde  belasting uitgevoerd op het DAB mengsel bij 50°C om de ontwikkeling van de  permanente  deformatie  te  onderzoeken.  Daarbij  zijn  de  volgende  aspecten  gerelateerd  aan  het  permanente  vervormingsgedrag  van  het  DAB  mengsel  onderzocht.  

Waargenomen spreiding in de permanente deformatieresultaten 

Een  eenvoudige  machtsfunctie  is  gebruikt  om  de  gemeten  permanente  deformatie  te  beschrijven.  Veel  spreiding  werd  waargenomen  in  de  modelparameters,  zelfs  bij  herhaalde  proeven  met  dezelfde  spanningsverhouding.  Mogelijke  oorzaken  voor  de  spreiding,  zoals  verschil  in  holle  ruimte  en  stijfheid  van  de  proefstukken,  gaven  geen  uitsluitsel.  CT  scans zijn daarom gebruikt om de interne structuur van onbelaste en belaste  proefstukken  te  analyseren  .  Hieruit  is  geconcludeerd  dat  de  variatie  in  de  interne structuur waarschijnlijk een grote invloed heeft gehad op de spreiding  in de meetresultaten. Uit de resultaten bleek verder dat de modelparameters  spanningsafhankelijk  waren  en  een  sterke  relatie  werd  gevonden  tussen  de 

(15)

modelparameters en de resilient (elastische) modulus na 1000 lastherhalingen.  Uit  de  CT  scans  bleek  dat  verschillende  bezwijkmechanismen  optraden  gedurende  de  permanente  deformatie  proeven  en  dat  de  initiële  interne  structuur van de proefstukken grote invloed heeft gehad op de ontwikkeling  van de permanente deformatie. 

De  invloed  van  verschillende  lastpulsen  en  rustperioden  op  de  permanente  vervorming 

De  invloed  van  verschillende  lastpulsen  en  rustperioden  op  de  permanente  vervorming  van  DAB  is  ook  onderzocht  door  middel  van  triaxiale  permanente  vervormingsproeven  met  herhaalde  belasting.  De  proeven  zijn  uitgevoerd met twee verschillende belastingregimes, namelijk 0,2 s last + 1,8 s  rust en 0,4 s last + 0,6 s rust, bij twee steunspanningsniveaus, 150 kPa met een  spanningsverhouding  0,43 en 100 kPa met een spanningsverhouding 0,3. De  proefresultaten  laten  zien  dat  de  spanningsverhouding  een  significante  invloed  heeft  op  de  permanente  vervorming  terwijl  de  belastingtijd  weinig  invloed  heeft  op  de  ontwikkeling  van  permanente  vervorming.  Het  lijkt  dat  bij  hetzelfde  spanningsniveau  de  langere  belastingtijd  niet  leidt  tot  grotere  permanente vervorming. 

Verloop van de resilient modulus in relatie tot het aantal lastherhalingen 

Om  een  beter  begrip  te  krijgen  van  de  relatie  tussen  de  permanente  en  elastische  vervorming  van  het  DAB  mengsel  in  de  tri‐axiale  proef  met  herhaalde belasting, is de ontwikkeling van de resilient modulus van DAB in  relatie  tot  het  aantal  lastherhalingen  onderzocht  en  gemodelleerd.  Uit  de  resultaten blijkt dat de resilient modulus van DAB afnam gedurende de eerste  lastherhalingen  en  vervolgens  constant  werd  na  ongeveer  1000  lastherhalingen.  

Verloop van de Burgers’ model parameters in relatie tot het aantal lastherhalingen 

De  totale  gemeten  vervorming  is  gesplitst  in  elastische,  vertraagd  elastische  and  visceuze  permanente  vervorming  en  gemodelleerd  met  het  Burgers’  model.  Het  verloop  van  de  parameters  van  het  Burgers’  model  voor  twee  verschillende belasting/ontlasting verhoudingen is in deze studie onderzocht.  De  waarde  van  de  parameter  die  de  demper  in  serie  vertegenwoordigt,  en  dus de permanente vervorming beschrijft, bleek toe te nemen met het aantal  lastherhalingen en werd min of meer constant na ca 1000 lastherhalingen. De  waarde  nam  echter  sterk  af  in  die  gevallen  waar  dilatatie  in  het  proefstuk  optrad. Het bleek ook dat het belastingspatroon een significante invloed heeft  op deze visceuze parameter.  

Shake down limiet voor de permanente deformatie van DAB 

Vijf  representatieve  tri‐axiaal  proeven  waarop  een  herhaalde  belasting  was  uitgevoerd,  zijn  geanalyseerd  om  na  te  gaan  of  een  shakedown  limiet  kon 

(16)

worden  gevonden  voor  het  DAB  mengsel.  Het  bleek  dat  voor  een  spanningsverhouding  van  0,3  en  lager  (dit  is  de  verhouding  tussen  de  toegepaste  verticale  spanning  en  verticale  bezwijkspanning  bij  dezelfde  steundruk)  slechts  een  beperkte  permanente  deformatie  werd  waargenomen  na  een  groot  aantal  lastherhalingen.  De  spanningsratio  van  0,3  kan  daarom  worden gezien als de shake down limiet voor dit DAB mengsel bij 50°C voor  de in dit onderzoek gebruikte proefcondities.  

Modellering van permanente deformatie gebaseerd op gedissipeerde energie 

De  meeste  voorspellingsmodellen  voor  permanente  deformatie  relateren  de  permanente  deformatie  aan  de  spanningscondities  en  het  aantal  last‐  herhalingen. In deze studie is een permanente deformatie model ontwikkeld  dat  gebaseerd  is  op  gedissipeerde  energie.  Aangetoond  is  dat  de  initiële  gedissipeerde  energie,  het  toegepaste  spanningsniveau  en  het  aantal  lastherhalingen  samen  zeer  goed  de  ontwikkeling  van  de  permanente  deformatie verklaren.           

(17)

List of Abbreviations and Symbols 

Abbreviations 

2D  Two Dimensional  3D  Three Dimensional  AASHTO  American Association of State Highway and Transportation  Officials  AGRAC  Asphalt GRAnular Cement  APT  Accelerated Pavement Testing  ASTM  American Society for Testing and Materials  BAM  A Dutch construction company  BISAR  Bitumen Stress Analysis in Roads  CCP  Constant Confining Pressure  CDRC  Constant Displacement Rate Compression  CROW  Bureau for Contract Standardization and Research for Civil  Infrastructure  CT  Computer Tomography  DAC  Dense Asphalt Concrete  DE  Dissipated Energy  DER  Dissipated Energy Ratio  EN  European Norm  EPSILON  Epsilon company in USA  EVT  Temperature at which the viscosity of bitumen is 170 cSt  FRS  Friction Reduction System  HU  Hounsfield Units  IMACS  Integrated Multi‐Axis Control System  IPC  An Australian company  LINTRACK  LINear TRACKing Apparatus   LVDT  Linear Variable Differential Transformer   MEPDs  Mechanistic‐Empirical Pavement Design system  Mr  Resilient Modulus  MTCT  Monotonic Triaxial Compression Test  NMAS  Nominal Maximum Aggregate Size  OAC  Open Asphalt Concrete  PAC  Porous Asphalt Concrete  PD  Permanent Deformation  Q‐Q plot  Quantile‐Quantile plot  RAW  Dutch standard specification for the civil engineering sector  RLTT  Repeated Load Triaxial Test  RMITT  Indirect Tension Test for Resilient Modulus   ROI  Region of Interest 

(18)

RRRL  Road and Railway Research Laboratory  RVE  Representative Volume Element  SBC  Shear Box Compactor  SD  Standard Deviation  SHRP  Strategic Highway Research Program  SMA  Stone Mastic Asphalt  STAC  STone Asphalt Concrete  TRLPD  Triaxial Repeated Load Permanent Deformation  UTM  Universal Testing Machine  VCP  Variable Confining Pressure  VEROAD  Multilayer pavement design program  VESYS  ViscoElastic SYStem‐ a linear viscoelastic pavement design  system  VFA  Voids Filled with Asphalt  VICKERS  An Australian company  VMA  Voids in Mineral Aggregate 

Symbols 

A, B  power model parameters  p    permanent strain  number of load repetitions     normal stress or standard deviation     normal strain     ratio of a circleʹs circumference to its diameter  T  period of haversine function  t  time  Nf  flow number  stiffness  eq W   number of standard wheel passes  r    resilient strain   E   complex stiffness modulus  E   elastic  modulus  i E   elastic modulus of spring in Burgers’ model  i    viscosity of dashpot in Burgers’ model    ratio of resilient strain to permanent strain or mean     bulk stress  R   stress ratio  &  strain rate  0 L    overall deformation measured by the actuator LVDT  s L    deformation of the steel specimen    

(19)

a L    deformation of the asphalt specimen     Poisson’s ratio     diameter  F   force  h  thickness of the specimen in indirect tensile test  d    total recoverable horizontal deformation in indirect tensile test   aggregate size    density  mb    density of compacted mixture  mix P   property of asphalt mixture  max P   maximum values of the modelled property  min P   minimum values of the modelled property  H    activation energy c F   failure strength in compression  t F   failure strength in tension  cohesion force    angle of internal friction  2 R   coefficient of determination  1 I   the first stress invariant  2 J   the second deviatoric stress invariant  T   temperature  e  elastic strain  de    delayed viscoelastic strain  e W   elastic energy  h W   dissipated energy (heat)  p W   dissipated energy (fatigue&PD)  d W   total dissipated energy  i DE   initial dissipated energy  . accum DE   accumulated dissipated energy  IR   infrared surface temperature  hr time of day  f frequency shear strain  eff L effective length of the stress pulse  eff f effective frequency of moving load     vehicle speed     shear stress       

(20)

                             

(21)

Table of Contents 

Chapter 1 Introduction ... 1   Flexible pavements ... 1  1.1  Rutting in asphalt pavements ... 2  1.2  Issues in practice ... 5  1.3  Objectives of this research ... 7  1.4  Organization of the dissertation ... 8  1.5 References ... 10  Chapter 2 Literature Review and Research Program ... 11   Asphalt mixtures and mechanical characterization ... 11  2.1  Components of asphalt mixtures ... 14  2.1.1  Factors influencing mechanical properties ... 15  2.1.2  Effects of stress conditions, temperature and loading rate ... 19  2.2 2.2.1 Stresses in pavement layers ... 19  2.2.2 Confining pressure ... 22  2.2.3 Temperature and loading rate ... 23   Permanent Deformation of Asphalt Mixtures ... 24  2.3 2.3.1 Repeated load triaxial permanent deformation test ... 24  2.3.2 Permanent deformation models ... 26  2.3.3 Research on permanent deformation in the LINTRACK project ... 30   Summary and research program ... 33  2.4 Research program ... 36  References ... 36  Chapter 3 Materials and Experimental Program Design ... 39   Materials ... 39  3.1 3.1.1 Material properties ... 40  3.1.2 Material pretreatment ... 40   Mixture design... 41  3.2  Specimen preparation... 43  3.3 3.3.1 Mixture compaction ... 44  3.3.2 Air voids distribution in asphalt blocks ... 47  3.3.3 Sawing and coring plan ... 53  3.3.4 Selection of test specimens ... 55   Design of the test program ... 59  3.4

(22)

3.4.1 Determination of test conditions ... 59  3.4.2 Test Program ... 62  References ... 64  Chapter 4 Effects of end constraint conditions in compression ... 67   Influences on material characterization ... 68  4.1 4.1.1 Representative specimen size ... 69  4.1.2 Boundary conditions ... 72  4.1.3 Measurement devices ... 73   Setup for triaxial compression ... 78  4.2  Friction reduction system (FRS) ... 80  4.3 4.3.1 Selection of a friction reduction system ... 81  4.3.2 Deformation correction of FRS ... 84  4.3.3 Evaluation of rubber friction reduction system ... 87   Effects of end constraints on stress strain behaviour ... 90  4.4 4.4.1 Test with 0 kPa confining pressure ... 92  4.4.2 Test with 200 kPa confining pressure ... 98   Conclusions and recommendations ... 103  4.5 References ... 105 

Chapter  5  Effects  of strain  rate and  confining  pressure  on  the  stress‐strain  behaviour of DAC and PAC at high temperatures ... 107 

 Experimental consideration ... 110  5.1

5.1.1 Monotonic compression test on asphalt mixtures ... 110  5.1.2 Indirect tension test for resilient modulus (RMITT) ... 111 

  Effect  of  strain  rate,  temperature  and  confinement  on  the  compressive  5.2

behaviour of DAC and PAC ... 115 

5.2.1  Effects  of  confinement,  strain  rate  and  temperature  on  the  compressive  behaviour of DAC ... 117  5.2.2  Effects  of  confinement,  strain  rate  and  temperature  on  the  compressive  behaviour of PAC ... 122  5.2.3  Time‐temperature  superposition  principle  for  large  strains  in  uniaxial  compression ... 128 

 Interaction between bituminous mastic and skeleton ... 137  5.3

5.3.1 Gradation of the DAC and PAC aggregate skeletons ... 137  5.3.2 Preparation of the specimen ... 137  5.3.3  Comparison  of  the  stress‐strain  behaviour  of  skeletons  and  asphalt  mixtures ... 138 

 Influence of strain rate, temperature and confining pressure on cohesion  5.4

(23)

5.4.1 Mohr Coulomb failure criterion ... 140  5.4.2 Determination of a nonlinear yield surface ... 144   Conclusions and recommendations ... 151  5.5 References ... 153  Chapter 6 Permanent deformation of DAC ... 155   Materials and experimental program ... 156  6.1  Permanent deformation of DAC ... 159  6.2 6.2.1 Permanent deformation at various stress levels ... 159  6.2.2 Influences on permanent deformation parameters... 166  6.2.3 Volumetric properties ... 169  6.2.4 Permanent deformation using different loading patterns ... 178   Evolution of resilient modulus ... 182  6.3 6.3.1 Determination of the resilient modulus limit ... 183  6.3.2 Influence of confining pressure on resilient modulus ... 188   Burgers’ model parameters ... 189  6.4 6.4.1 Model parameters under the test conditions in program I in Table 6.1 ... 194  6.4.2 Model parameters under the test conditions in program II in Table 6.1 .. 196   Analysis of permanent deformation using dissipated energy concept 199  6.5 6.5.1 Dissipated energy concept ... 199  6.5.2 Dissipated energy concept in permanent deformation tests ... 202  6.5.3 Accumulated dissipated energy and permanent strain ... 206   Conclusions ... 213  6.6 References ... 215  Appendix: Cross section view and profile of specimens after test ... 217  Chapter 7 Conclusions and recommendations ... 223   Conclusions ... 223  7.1 7.1.1 Related to the literature review ... 223  7.1.2 Related to the materials tested and experimental program design ... 224  7.1.3 Related to the effects of end constraint conditions in compression ... 224  7.1.4 Related to the effects of strain rate and confining pressure on the behaviour  of DAC and PAC ... 224  7.1.5 Related to permanent deformation ... 225   Recommendations ... 226  7.2 7.2.1 Related to deformation measurements on the specimen ... 226  7.2.2 Related to the yield surface ... 226  7.2.3 Related to the failure modes ... 226 

(24)

7.2.4  Related  to  the  relationship  between  dissipated  energy  and  permanent  deformation ... 226  Appendix A: Analysis of stress and strain in asphalt layers ... 227   Basic information of the LINTRACK pavement sections ... 228  A.1  Iteration procedure for DAC and PAC at 40°C ... 230  A.2 A.2.1 The initial inputs of material properties ... 230  A.2.2 Principle of determination of equivalent principal stress and strain ... 233  A.2.3 Equivalent principal stresses and equivalent length of loading pulse ... 235  A.2.4 Strain rate determination ... 239  A.2.5 Updating the resilient moduli ... 243   Iteration procedure for DAC and PAC at 50 °C ... 245  A.3  Stress ratios at mid depth of the top layers ... 251  A.4 A.4.1 Estimation of compressive and tensile strengths at unconfined conditions  ... 252  A.4.2 Determination of cohesion and angle of internal friction ... 253  A.4.3 Compressive strength and stress ratios at different confinement levels .. 254  References ... 256  Appendix B: Basic properties of bitumen and asphalt mixtures ... 259   Properties of bitumen ... 260  B.1  Comparison with Muraya’s data ... 261  B.2  Resilient modulus ... 261  B.3 References ... 264   

(25)

Chapter 1

Introduction

his chapter gives an introduction to flexible pavements and distresses  observed  in  asphalt  pavements.  The  focus  is  on  the  permanent  deformation of asphalt layers. This chapter also presents the objectives  and scope of this research. Finally the organization of this dissertation will be  given as well. 

Flexible pavements 1.1

A  flexible  pavement  structure,  just  as  its  name  implies,  deforms  when  it  is  subjected  to  loading.  A  flexible pavement  structure  is  typically  composed  of  several layers of materials which are bitumen bounded, unbounded granular  materials  and  the  natural  soil.  The  flexible  pavement  structure  normally  consists  of  a  surface  layer,  a  base  course  and  a  subbase  course.  Each  layer  carries the loads from the above layer, spreads them, and then passes on these  loads  to  the  next  layer  below.  In  order  to  take  maximum  advantage  of  this  property,  flexible  pavement  layers  are  usually  arranged  in  order  of  descending load spreading capacity with the highest load spreading capacity  material  at  the  top  and  the  lowest  load  bearing  capacity  material  on  the  bottom.  

In 1838 d’Erinas used stamped down asphalt to pave sidewalks in Paris and  Philadelphia. The first Dutch road with a top layer of asphalt was constructed  in  Amsterdam  in  1873.  Nowadays  the  European  road  network  consists  of  motorways,  regional  roads  and  local  roads  and  the  total  length  of  this  network  sums  up  to  more  than  5  million  kilometers  of  which  66,700  kilometers are classified as motorways. More than 90% of the European Road  network is surfaced with asphalt [1].  

Asphalt concrete is a mixture of gravel, sand and filler, bounded by bitumen.  Bitumen  is  a  viscoelastic  material  produced  during  the  refinery  of  crude  oil.  At high temperature it is a water‐like fluid with a low viscosity while at low  temperature  it  is  solid  exhibiting  elasticity.  At  intermedium  temperatures  it  behaves  as  a  viscoelastic  material  which  is  loading  rate  dependent.  The  interlocking  of  aggregates  in  the  bituminous  mixture  provides  most  of  the 

T

(26)

compressive  strength  of  asphalt  materials  while  the  bituminous  mortar  provides resistance to tension.  

Rutting in asphalt pavements 1.2

The  development  of  distress  is  an  important  consideration  in  pavement  performance. Knowledge of the  various types of distress and the analysis  of  the causes are of importance to the pavement designer. A good reference for  identifying  pavement  distress  is  the  “Highway  Pavement  Distress  Identification Manual” published by the Federal Highway Administration in  1979 [2].  

One of the most important distresses in asphalt pavements is rutting. Rutting  is  the  surface  depression  in  the  wheel  paths  as  shown  in  Figure  1.1.  This  deformation is the sum of the permanent deformation that develops in each of  the  individual  layers.  In  this  thesis  however  attention  will  only  be  paid  to  permanent deformation of the asphalt layers. 

   

Figure 1.1 Rutting in the wheel path 

Rutting  develops  rapidly  during  the  first  few  years  after  construction  and  then levels off to a slower rate. Rutting results from permanent deformation  caused  by  consolidation/densification  or  deformation  due  to  shear  of  the  materials due to traffic loads in any of the pavement layers or in the subgrade.  Rutting  can  be  caused  by  plastic  movement  of  the  asphalt  mixture  either  in  hot  weather  or  from  inadequate  compaction  during  construction.  Significant  rutting can lead to major structure failures and can cause hydroplaning [3]. 

(27)

The  deformation  of  asphalt  concrete  involves  viscous  flow,  densification  or  compaction and shear deformation [4]. It is generally accepted that permanent  deformation  is  influenced  by  the  stress  conditions,  the  properties  of  the  materials used in the surface and other layers and the climatic conditions. The  wheel  load  introduces  non‐uniform  vertical,  longitudinal  and  lateral  contact  stresses. Typical patterns of those contact stresses are shown in Figure 1.2 [5].  The  stress  conditions  in  a  particular  point  due  to  a  moving  wheel  load  are  complicated.  Also  the  rotation  of  principal  stresses  may  have  a  significant  influence on the development of permanent deformation.  

The  distribution  of  stresses  in  the  pavement  depends  on  the  material  properties  of  each  layer,  for  instance  stiffness  and  Poisson’s  ratio,  and  the  thickness of the pavement layers.  

The stress conditions that can be applied in the laboratory may not be in line  with the true stress conditions in the field. In reality e.g. rotation of principal  stresses occurs which is very difficult to simulate in the laboratory. 

Climatic  conditions  also  have  a  significant  impact  on  the  development  of  permanent  deformation.  Since  an  asphalt  mixture  is  viscoelastic  its  deformation  response  is  highly  dependent  on  the  temperature  and  the  loading rate.  

The  discussion  above  implies  that  special  attention  should  be  given  to  a  careful  design  of  simulation  and  testing  programs  including:  employing  of  appropriate test set up, proper control of the climatic conditions to which test  specimens are subjected, strict control over the contact conditions between the  specimen and test set up as well as a reliable measuring and data acquisition  system. 

In the laboratory, the permanent deformation behaviour of asphalt mixture is  usually  evaluated  by  performing  repeated  load  triaxial  compression  tests.  A  typical  permanent  deformation  curve  versus  applied  number  of  load  repetitions  can  include  three  distinct  phase  as  shown  in  Figure  1.3:  (1)  the  primary  stage  with  a  decreasing  strain  rate  during  which  permanent  deformation  accumulates  rapidly;  (2)  the  secondary  stage  with  a  constant  strain  rate;  (3)  the  tertiary  stage  with  an  increasing  strain  rate  during  which  permanent strain rapidly accumulates till failure is reached. 

   

(28)

 

Figure 1.2 Example of vertical, longitudinal and lateral contact stresses at the  pavement surface due to a wheel load (De Beer, 1997) 

   

(29)

Many  models  were  proposed  to  describe  this  permanent  deformation  behaviour.  The  most  commonly  used  model  is  the  power  law  model  as  expressed in Equation 1.1.  

  pANB   1.1 

Where, pis  permanent  strain,  N is  number  of  load  repetitions  and A, are B model parameters.      Figure 1.3 Schematic plot of the permanent strain and three regimes with increasing  loading repetitions   Issues in practice 1.3

Although  there  is  consensus  that  the  repeated  load  triaxial  test  is  very  well  suited  for  studying  the  resistance  to  permanent  deformation  of  asphalt  mixtures,  and  although  this  test  has  been  used  extensively,  a  number  of  questions still need to be answered which are related to sample preparation,  testing procedures and analyzing the results of permanent deformation tests.  Some  of  these  issues  are  important  for  practice  while  others  are  of  a  fundamental  nature.  This  thesis  addresses  a  number  of  these  questions  and  after  ample  consideration  it  was  decided  to  pay  attention  to  the  following  issues: 

 Minimum sample size in relation to grain size and other factors. This is  an important issue since getting large samples from a pavement with a  diameter of e.g. 100  mm and a  height of 200 mm is problematic since  asphalt layers have at best a layer thickness of about 60 to 70 mm. This  0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 0 5 10 15 20 Tertiary Primary Permanent Strain (%)

Number of load repetitions

Nf

(30)

limited layer thickness is making it impossible to obtain 200 mm high  specimens and therefore an investigation into the minimum allowable  specimen sizes is valuable. 

 Application  of  a  friction  reduction  system.  Friction  between  the  top  and bottom of the specimen with the loading platens will influence the  test result. This is not so much of a problem as long as the amount of  friction is known. Without taking special precautions when testing, the  magnitude  of  the  friction  force  is  unknown.  Therefore,  two  extreme  solutions  are  considered:  gluing  the  specimen  to  the  top  and  bottom  loading  plate  and  ensuring  “full  friction”  in  this  way,  or  use  of  an  effective  friction  reduction  system  resulting  in  “full  slip”  conditions.  The effects of both solutions on the test results need to be investigated.   Also  two  solutions  are  considered  with  respect  to  displacement 

measurements.  The  first  one  is  using  “on  sample”  transducers  which  measure the deformation over e.g. the mid third part of the specimen.  This way of measuring displacement is almost inevitable when friction  at  the  load  platens  is  affecting  the  deformation  of  the  specimen.  Such  measurements  however  are  quite  complicated  when  used  in  triaxial  tests.  A  much  simpler  solution  is  measuring  the  displacement  of  the  specimen  over  the  entire  height  of  the  specimen.  This  way  of  measuring  displacements  seems  only  to  be  applicable  in  the  case  that  “full  slip”  conditions  occur  at  the  loading  platens.  Measuring  the  deformation  over  the  entire  height  however  implies  that  one  should  take  care  of  the  displacements  because  of  deformations  in  the  friction  reduction system. It is clear that this topic needs to be investigated in  order to be able to provide guidelines to practice about how to perform  a repeated load triaxial test.    Ratio of duration of the loading pulse to the duration of the rest period.  Several testing protocols are defining different ratios for the load : rest  time duration. The question then is “what is the most appropriate ratio  to  simulate  truck  traffic  during  the  hot  season”.  This  question  is  of  practical importance since shorter rest periods will reduce the duration  of the entire test and for practical reasons, getting results in the shortest  time possible is of importance. 

 Contribution  of  the  aggregate  skeleton  to  the  resistance  against  permanent  deformation.  Permanent  deformation  mainly  occurs  at 

(31)

viscosity  of  the  bituminous  mastic/mortar  that  glues  the  coarse  particles  together  is  low  and  a  significant  part  of  the  resistance  to  permanent  deformation  needs  to  be  generated  by  the  stone  skeleton.  Only limited information is available about how high this contribution  is, and therefore investigations on this topic are necessary. 

 Shake  down  limit.  It  is  known  that  the  permanent  deformation  of  aggregate  skeletons  is  limited  when  the  stress  conditions  are  below  a  certain threshold (shake down limit). It is worthwhile to investigate if  such  a  limit  also  exist  for  asphalt  mixtures  since  this  would  simplify  mixture and pavement design. 

 Factors  influencing  permanent  deformation.  Most  of  the  permanent  deformation  models  are  “simple”  regression  models  which  relate  the  permanent  deformation  to  stress  conditions  and  applied  number  of  load  repetitions.  The  question  however  is  whether  the  regression  constants  can  be  related  to  material  properties  making  the  empirical  models  more  meaningful.  It  is  obvious  that  this  is  a  useful  research  topic as well. 

 Burgers’ model parameters. Burgers’ model is often used to explain the  immediate and delayed elastic response of asphalt mixtures as well as  the  viscous  (permanent)  deformation.  The  question  is  to  what  extent  this  model  can  be  used  to  explain  the  permanent  deformation  development  and  how  the  model  parameters  are  changing  as  a  function of the number of load repetitions and stress conditions.  

From the above it is clear that this thesis is addressing quite an array of topics,  all  of  which  are  helping  to  better  understand  the  formation  of  permanent  deformation in asphalt mixtures and the factors influencing this development. 

Objectives of this research 1.4

The  behaviour  of  asphalt  mixtures  (for  instance  stiffness,  strength  and  resistance to permanent deformation) depends on several factors namely: the  stress conditions, the composition of the mixture and the climatic conditions.  The effect of these influences, when characterizing the material properties in  the  laboratory,  needs  to  be  investigated.  The  influence  of  temperature,  loading rate and confining pressure on the mechanical properties needs to be  better  understood.  The  evolution  of  asphalt  material  properties  with  the  increase  of  number  of  load  repetitions  needs  to  be  investigated  to  obtain  a  better understanding of permanent deformation as well. Last but not least the 

(32)

influence of the microstructure on the permanent deformation, and the failure  patterns inside the specimen, needs to be studied. 

All in all the aim of this research work is to better understand the permanent  deformation  behaviour  of  an  asphalt  mixture  under  various  test  conditions.  Based on this aim, the objectives of this research are defined as follows: 

1. Compare the mechanical properties obtained at two extreme constraint  conditions: the specimen is fully glued to the loading plates and a full  friction  reduction  system  is  applied  between  specimen  and  loading  plates.  2. Investigate the influence of loading rate and confining pressure on the  stress‐strain behaviour of dense asphalt and porous asphalt concrete at  high temperatures.  3. Characterize the permanent deformation of dense asphalt mixture  4. Determine whether a stress threshold value below which no significant  permanent deformation exists. 

5. Study  the  influence  of  different  loading  patterns  on  permanent  deformation development. 

6. Investigate  the  relationship  between  permanent  deformation  and  dissipated energy 

Organization of the dissertation 1.5

Chapter  2  provides  a  brief  introduction  of  pavement  design  and  asphalt  materials and a literature review on permanent deformation. It also addresses  factors  influencing  the  results  of  mechanical  testing  such  as  the  effects  of  stress  conditions,  temperature  and  loading  rate.  After  that  the  literature  review  also  focuses  on  permanent  deformation  testing.  Permanent  deformation  research  results  obtained  from  Accelerate  Road  Tests  are  also  discussed. 

Chapter  3  is  dedicated  to  materials  and  the  experimental  program  design.  Two  typical  wearing  course  mixtures  are  investigated  in  this  study  being  dense asphalt course (DAC) and porous asphalt course (PAC). The mixtures  are  designed  with  the  Marshall  design  method.  To  better  simulate  field  compaction, a Shear Box Compactor was used to produce asphalt blocks with  the  designed  volumetric  properties.  X‐Ray  Computer  Tomography  technology  was  used  to  look  into  the  distribution  of  the  aggregates  and  air  voids. Then the cutting and coring program is described which is based on CT  scan  results  obtained  in  the  produced  asphalt  blocks.  At  the  end  of  the  chapter the selected testing conditions are presented.  

Chapter 4 presents the study related to effects of friction between the loading  plates  and  the  specimen  on  the  mechanical  characterization  of  asphalt 

(33)

test  setup  is  described.  Then  a  comparison  of  the  test  results  obtained  using  two different end constraint conditions is made.  

Chapter  5  offers  the  results  of  the  study  on  the  effects  of  strain  rate  and  confining  pressure  on  the  stress‐strain  behaviour  at  high  temperatures.  Master curves of the stiffness modulus of DAC and PAC are constructed from  the  resilient  modulus  test  results.  By  using  the  time‐temperature  principle  master  curves  for  the  failure  strength  of  DAC  and  PAC  mixtures  are  constructed as well. The stress‐strain curves of the asphalt mixtures and their  aggregate skeletons are compared and discussed. This chapter concludes with  a  discussion  of  the  influence  of  strain  rate  and  temperature  on  the  cohesion  and angle of internal friction of the mixtures. 

Chapter  6  presents  the  study  on  permanent  deformation  behaviour.  The  Burgers’  model  was  used  to  describe  the  observed  permanent  deformation  behaviour  and  its  parameters  are  analyzed  and  discussed.  The  influence  of  pulse duration, rest period and confinement on permanent deformation was  also  investigated.  At  the  end  of  this  chapter  the  deformation  patterns  that  were  obtained  after  completion  of  repeated  triaxial  loading  are  discussed.  Following that the evolution of the resilient modulus of DAC and the Burgers’  model  parameters  are  investigated  and  discussed.  The  dissipated  energy  concept  is  used  to  study  the  permanent  deformation  and  a  model  based  on  initial dissipated energy is proposed.  

Appendix  A  explains  how  the  triaxial  test  conditions  as  used  in  this  study  were  determined  from  the  representative  triaxial  stresses  and  strain  rates  which occurred in the LINTRACK pavement sections  

Appendix  B  provides  the  basic  properties  of  bitumen  and  asphalt  mixtures  used in this study.  Figure 1.4 shows the structure of the dissertation.                     

(34)

 

Figure 1.4 Structure of the dissertation 

References

[1]. EAPA, European Asphalt Pavement Association. Available: http://www.eapa.org/asphalt.php, (Accessed Date: 2015.03.10).

[2]. Smith, R.E., Darter, M.I., and Herrin, S.M., Highway Pavement Distress

Identification Manual for Highway Condition and Quality of Highway Cosntruction Survey. Federal Highway Administraion, Contract No.

DOT-FH-11-9175/NCHRP 1-19, 1979.

[3]. Huang, Y.H., Pavement Analysis and Design. (2 ed.). New Jersey: Prentice

Hall, 1993.

[4]. Garba, R., Permanent Deformation Properties of Asphalt Concrete Mixtures.

Ph.D. dissertation, Department of Road and Railway Engineering, Norwegian University of Science and Technology, 2002.

[5]. De Beer, M., Fisher, C., and Jooste, F.J., Determination of Pneumatic

Tyre-pavement Interface Contact Stresses under Moving loads and Some Effects on Pavements with Thin Asphalt Surfacing Layers. Proceedings of the Eighth

International Conference on Asphalt Pavements (ICAP' 97). University of Washington, Seattle, Washington, USA, pp. 179-227, 1997.

[6]. Erkens, S.M.J.G., Asphalt Concrete Response (ACRe)-Determination, Modelling and Prediction. PhD dissertation, Delft University of Technology:

Delft, The Netherlands, 2002.   

Chapter 1 Introduction

Chapter 2 Literature Review and Research Program

Chapter 3 Materials and Experimental Program Design

Chapter 4 Effects of End Constraint Conditions in

Compression

Chapter 5 Effects of Strain Rate and Confining Pressure on Stress-Strain Behaviour at High

Temperature

Chapter 6 Permanent Deformation of DAC

(35)

Chapter 2

Literature Review and Research Program

his  chapter  deals  with  a  literature  survey  on  the  topics  related  to  permanent  deformation  and  compressive  failure  of  asphalt  mixtures.  In  this  chapter,  a  general  introduction  on  the  composition  of  asphalt  mixtures  is  presented  first.  Several  concerns  related  to  testing  asphalt  materials  are  offered  as  well.  In  the  second  part  of  this  chapter  a  brief  discussion  on  permanent  deformation  of  asphalt  mixtures  is  given.  In  addition  to  this,  failure  modes  of  asphalt  specimen  under  compression  are  described  and  the  used  computation  tomographic  (CT)  technique  is  introduced. Apart from this the objectives and methodology of this thesis are  presented. 

Asphalt mixtures and mechanical characterization 2.1

The  use  of  bitumen  on  a  large  scale  for  pavement  construction  began  in  the  late 1800s and grew rapidly with the emerging automobile industry [1]. Since  then  the  empirical  design  of  asphalt  mixtures  was  developing  rapidly.  The  efforts  made  in  the  middle  of  the  1900s  in  designing  long‐lasting  asphalt  pavements  using  analytically‐based  methods  can  be  taken  as  the  starting  point  of  the  mechanical‐empirical  design  methodology  [2].  The  outcomes  of  the first International Conference on Asphalt Pavement Design (University of  Michigan  in  1962)  had  a  significant  influence  on  the  development  of  pavement  design  methods.  Research  done  at  that  time  in  the  United  States,  Europe,  South  Africa,  and  Australia  contributed  a  lot  to  the  entire  asphalt  pavement society both in terms of research and practical perspective.  

In  Figure  2.1  some  significant  developments  in  design  and  construction  of  long‐lasting asphalt pavements (after Monismith, C.L. 2004) [2] are presented.  It  shows  that  the  current  knowledge  and  construction  technology  in  asphalt  pavements  is  based  on  a  systematic  approach  consisting  of  mechanical  analysis,  material  characterization,  in  situ  pavement  testing,  mechanical‐ empirical  pavement  design,  and  pavement  management  as  well  as  construction practices. Among all of those key aspects, the characterization of  asphalt  materials  itself  plays  a  very  important  role.  The  mechanical  characteristics  of  asphalt  materials  are  serving  as  input  to  design  and 

T

(36)

rehabilitation  models.  Thus  the  characterization  of  asphalt  materials  is  not  only of importance in the initial stage of the pavement design but also for the  design  of  maintenance  and  rehabilitation  strategies.  As  the  development  of  mechanical  design  methods  of  asphalt  pavements  progressed  also  the  requirements with respect to materials characterization increased.  

   

(37)

 

(38)

Components of asphalt mixtures 2.1.1

Asphalt  concrete  is  a  composite  material  which  is  used  in  base  and  surface  layers  in  pavements.  It  includes  many  types  of  mixtures  which  are  made  of  well graded aggregates and a bituminous binder. Typically asphalt mixtures  are divided into three mixture categories: dense graded asphalt, open graded  asphalt  and  gap  graded  asphalt.  Dense  asphalt  concrete  (DAC)  is  produced  with well or continuously graded aggregates and bitumen. The aggregates are  “floating” in the mastic matrix (mixture of filler and bitumen) but are bonded  together  with  interlocking  action  to  obtain  a  low  air  void  content  and  a  sufficient  deformation  resistance.  The  open‐graded  asphalt  concrete  is  produced  with  relatively  uniformly‐sized  aggregates  typified  by  an  absence  of  intermediate‐sized  particles.  A  typical  open‐graded  asphalt  mixture  is  porous  asphalt  concrete  (PAC)  which  requires  20%  in  air  voids  content  to  allow  water  to  freely  drain  and  to  reduce  noise  produced  by  the  tire‐ pavement  surface  interaction.  Gap‐graded  mixtures  use  an  aggregate  gradation  with  particles  ranging  from  coarse  to  fine  with  some  intermediate  sizes  missing  or  present  in  small  amounts.  Stone‐matrix  asphalt  (SMA)  e.g.  will  be  missing  most  intermediate  sizes  but  does  have  a  relatively  high  proportion  of  fines  and  bitumen.  Figure  2.2  shows  the  macrostructures  of  DAC, PAC and SMA.  

 

DAC  PAC SMA

Figure 2.2 X‐ray tomography images of DAC, PAC and SMA 

This  figure  clearly  shows  that  the  asphalt  mixtures  are  composed  of  three  phases:  solid  aggregates,  mastic  or  mortar  and  air  voids.  The  mechanical  behaviour of asphalt mixtures is determined by the bituminous mastic, which  is defined as the mixture of filler and bitumen, the aggregates as well as the  air voids.   The aggregate particles can be considered to be elastic and their high stiffness  does not show temperature and loading rate dependency. The interlock action  between the aggregate particles at the contact points provides a major portion  of the shear resistance of asphalt mixtures.   The mastic in asphalt mixtures mainly provides bonding and because of that 

Cytaty

Powiązane dokumenty

w Archidiecezjalnym Wyższym Seminarium Duchownym w Białymstoku odbyło się sympozjum naukowe, w którym udział wzięli księża profesorowie Seminarium, zaproszeni

This trend is also highly visible in Poland and manifests itself in the growing popularity of various forms of public consultations, participatory budgeting, the so-called

Czynniki, które hamują ekspansję gospodarczą Wspól- noty, wynikają z relatywnie niskiej wydajności pracy, która jest konsekwen- cją ograniczonej efektywności nakładów na

However, what we simultaneously demonstrate, and what Ahmed points at, is our embodying of norms including or excluding partici- pants; norms we internalize in our feelings

Figure 1 gives the results of simulations obtained with the linear model and four different values of permeability computed with the four methods (Part 1, Sec.. We assumed that

даяти уклады на рускыа грады: первое на Киев, та же на Чернигов, на Переяславь, на Полтеск (Полоцк - Н.К.), на Ростов, на Любеч и на прочаа

Particulary favourable conditions for the formation of intraskeletal geopetal structures are created by minimal sedimentation which is why in stratigraphically

The study at hand contributes to the scarce literature on BoP consumer heterogeneity by assessing the characteristics of con- sumers based on their time of purchase and whether