Asphalt pavement structure optimization with alternative materials

• Autorzy: Ostrowski Przemysław , Zofka Adam , Błażejowski Krzysztof , Pszczoła Marek

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.150978

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja konstrukcji nawierzchni asfaltowych z wykorzystaniem alternatywnych materiałów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper briefly describes modern method assessment of the pavement structure based on the simplified viscoelastic continuum damage (S-VECD) model. The method was used to compare two types of pavement structures. There were analysed classical cstructures with asphalt concretes with neat bitumen and innovative one- or two layered structures with SMA 16 with highly polymer modified bitumen (HiMA). Pavement structures using SMA 16 are especially recommended for local roads, thus two traffic categories were analysed – light and medium. Furthermore, due to specific properties of layers with HiMA, for each variant two different types of improved sub-base were checked. The examples presented, despite reduced thickness of asphalt layers, structures with SMA 16 HiMA are much more resistant to fatigue than classic structures with asphalt concretes with neat bitumen. The results of the research confirm that it is possible to develop innovative structures with materials with above standard properties. New materials both with new arrangement of layers can bring a lot of advantages especially in the areas of sustainable development, costs reducing and improving properties of asphalt pavements.

PL

W artykule krótko opisano nowoczesną metodę oceny konstrukcji nawierzchni opartą na uproszczonym modelu niszczenia w ośrodku lepkosprężystym (S-VECD). Metoda ta została wykorzystana do porównania dwóch typów konstrukcji nawierzchni. Analizowano klasyczne konstrukcje z betonami asfaltowymi z asfaltami drogowymi oraz innowacyjne konstrukcje jedno- lub dwuwarstwowe z SMA 16 z asfaltem wysokomodyfikowanym polimerami (HiMA). Konstrukcje nawierzchni z zastosowaniem SMA 16 są szczególnie polecane na drogi lokalne, dlatego też przeanalizowano dwie kategorie obciążenia ruchem – lekką KR2 i średnią KR4. Ponadto, ze względu na specyficzne właściwości warstw z HiMA, dla każdego wariantu sprawdzono dwa różne rodzaje ulepszonego podłoża. Na przedstawionych przykładach, pomimo zmniejszonej grubości warstw bitumicznych, konstrukcje z SMA 16 HiMA są znacznie bardziej odporne na zmęczenie niż klasyczne konstrukcje z betonami asfaltowymi z asfaltami drogowymi. Wyniki badań potwierdzają, że możliwe jest opracowanie innowacyjnych konstrukcji z materiałów o ponadstandardowych właściwościach. Nowe materiały zarówno zastosowane z nowym układem warstw mogą przynieść wiele korzyści zwłaszcza w zakresie zrównoważonego rozwoju, obniżenia kosztów oraz poprawy właściwości nawierzchni asfaltowych.

Słowa kluczowe

EN

asphalt pavement; pavement structure; fatigue performance; simplified model; viscoelastic continuum damage model; highly modified asphalt; polymer modified bitumen; SMA 16

PL

asfalt wysokomodyfikowany; asfalt modyfikowany polimerami; konstrukcja nawierzchni; nawierzchnia asfaltowa; model uproszczony; model niszczenia w ośrodku lepkosprężystym; trwałość zmęczeniowa; SMA 16

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 3
• Strony: 191--203
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Ostrowski Przemysław

• Gdansk University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6683-0504

autor

Zofka Adam

• Foundation for the Development of Transport Infrastructure Services (FRUIT)

• https://orcid.org/0000-0002-6541-5966

autor

Błażejowski Krzysztof

• ORLEN Asfalt, Plock, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0684-7328

autor

Pszczoła Marek

• Gdansk University of Technology, Faculty of Civil Engineering , Gdańsk, Poland,

• https://orcid.org/0000-0002-6401-7966

Bibliografia

• [1] S. Schunz, “The ‘European Green Deal’ – a paradigm shift? Transformations in the EuropeanUnion’s sustainability meta-discourse”, Political Research Exchange, vol. 4, no. 1, 2022, doi: 10.1080/2474736X.2022.2085121.
• [2] B. Moins, C. France, W. Van den bergh, and A. Audenaert, “Implementing life cycle cost analysis in road engineering: A critical review on methodological framework choices”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 133, art. no. 110284, 2020, doi: 10.1016/j.rser.2020.110284.
• [3] R. West, et al., “Phase IV NCAT Pavement Test Track Findings: Final Report”, NCAT Report 12-10, 2012.
• [4] R. West, et al., “Phase IV NCAT Pavement Test Track Findings”, 2013.
• [5] A. Molenaar, et al., “Modified Base Courses for Reduced Pavement Thickness and Increased Longevity”, in Proceedings of International Conference on Perpetual Pavements. Ohio University, 2009.
• [6] R. Kluttz, R.Willis, A. Molenaar, T. Scarpas, and E. Scholten, “Fatigue Performance of Highly Modified Asphalt Mixtures in Laboratory and Field Environment”, presented at 7th RILEM International Conference Cracking Pavements, 2012.
• [7] R.Q. Kluttz, E. Jellema, M.F. Woldekidan, and M. Huurman, “Highly modified bitumen for prevention of winter damage in OGFCs”, in Airfield and Highway Pavement 2013: Sustainable and Efficient Pavements – Proceedings of the 2013 Airfield and Highway Pavement Conference. ASCE, 2013, pp. 1075-1087, doi: 10.1061/9780784413005.090.
• [8] Z. Tabor, “Doświadczenia ze stosowania asfaltów wysokomodyfikowanych na drogach wojewódzkich województwa śląskiego”, presented at Krakowskie Dni Nawierzchni, 2019.
• [9] K. Błażejowski, M. Wójcik-Wiśniewska, H. Peciakowski, and J. Olszacki, “The Performance of a Highly Modified Binders for Heavy Duty Asphalt Pavement”, Transportation Research Procedia, vol. 14, pp. 679-684, 2016, doi: 10.1016/j.trpro.2016.05.331.
• [10] J. Judycki, et al., Analizy i projektowanie konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. Warszawa: WKiŁ, 2014.
• [11] J. Judycki, et al., “New polish catalogue of typical flexible and semi-rigid pavements”, MATEC Web Conference, vol. 122, pp. 1-8, 2017, doi: 10.1051/matecconf/201712204002.
• [12] R.Q. Kluttz, Y.R. Kim, and R. Dongré, “Performance modeling of a highly modified asphalt pavement”, in Advances in Materials and Pavement Performance Prediction. CRC Press, 2018, pp. 3-6.
• [13] D. Ryś, P. Jaskuła, M. Jaczewski, and M. Pszczoła, “Application and Evaluation of M-EPDG for Performance Analysis of Polish Typical Flexible and Rigid Pavements”, Roads and Bridges – Drogi i Mosty, vol. 18, pp. 283-302, 2019, doi: 10.7409/rabdim.019.019.
• [14] K. Błażejowski, M. Złotowska, R. Nagórski, and P. Tutka, “The influence of highly modified asphalt binder on pavement fatigue life prediction – Selected problems”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 4, pp. 605-624, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.138521.
• [15] R.A. Schapery, “A theory of crack initiation and growth in viscoelastic media – III. Analysis of continuous growth”, International Journal of Fracture, vol. 11, no. 4, pp. 549-562, 1975, doi: 10.1007/BF00116363.
• [16] R.A. Schapery, “Correspondence principles and a generalized J integral for large deformation and fracture analysis of viscoelastic media”, International Journal of Fracture, vol. 25, no. 3, pp. 195-223, 1984, doi: 10.1007/BF01140837.
• [17] R.A. Schapery, “A theory of mechanical behavior of elastic media with growing damage and other changes in structure”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 38, no. 2, pp. 215-253, 1990, doi: 10.1016/0022-5096(90)90035-3.
• [18] P. Ostrowski, A. Zofka, and K. Błażejowski, “VECD method as a tool for evaluation of pavement structure fatigue performance”, Roads and Bridges – Drogi i Mosty, vol. 20, no. 2, pp. 189-212, 2021, doi: 10.7409/rabdim.021.012.
• [19] Y.R. Kim, “Asphalt mixture performance-related specifications”, in Advances in Materials and Pavement Prediction, K.A. Masad Eyad, et al., Eds. Taylor & Francis Group, 2018, pp. 125–128.
• [20] B.S. Underwood, Y.R. Kim, and M.N. Guddati, “Improved calculation method of damage parameter in viscoelastic continuum damage model”, International Journal of Pavement Engineering, vol. 11, no. 6, pp. 459-476, 2010, doi: 10.1080/10298430903398088.
• [21] Y.D. Wang, B. Keshavarzi, and Y.R. Kim, “Fatigue Performance Prediction of Asphalt Pavements with FlexPAVETM, the S-VECD Model, and DR Failure Criterion”, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, vol. 2672, no. 40, pp. 217-227, 2018, doi: 10.1177/0361198118756873.
• [22] Y.D. Wang, B.S. Underwood, and Y.R. Kim, “Development of a fatigue index parameter, Sapp, for asphalt mixes using viscoelastic continuum damage theory”, International Journal of Pavement Engineering, vol. 23, no. 2, pp. 438-452, 2022, doi: 10.1080/10298436.2020.1751844.
• [23] J. Judycki, et al., Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych. Gdańsk, 2013.
• [24] K. Błażejowski and I. Strugała, Nawierzchnie jednowarstwowe z SMA 16 JENA. Warsaw: RETTENMAIER Polska Sp. z o. o., 2019.
• [25] K. Błażejowski, P. Ostrowski, M.Wójcik-Wiśniewska, and W. Baranowska, Mieszanki i Nawierzchnie z ORBITON HiMA. Płock: ORLEN Asfalt, 2020. [Online]. Available: https://orbiton.pl/.
• [26] EN 13108-1 Bituminous mixtures – material specifications – Part 1: Asphalt concrete. 2016.
• [27] WT-2 – część I. Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wymagania Techniczne (Polish technical guidelines for asphalt mixtures). Warszawa, 2014. [Online]. Available: https://www.gov.pl/attachment/34584de6-9577 -4d36-876a-2e11c703128c.
• [28] EN 13108-5. Bituminous mixtures – material specifications – Part 5: Stone mastic asphalt. 2016.
• [29] AASHTO T 378 Standard Method of Test for Determining the Dynamic Modulus and Flow Number for Asphalt Mixtures Using the Asphalt Mixture Performance Tester (AMPT). 2021.
• [30] AASHTO T 400 Standard Method of Test for Determining the Damage Characteristic Curve and Failure Criterion Using the Asphalt Mixture Performance Tester (AMPT) Cyclic Fatigue Test. 2022.
• [31] M. Pszczoła, D. Ryś, and P. Jaskuła, “Analysis of climatic zones in Poland with regard to asphalt performance grading”, Roads and Bridges – Drogi i Mosty, vol. 16, no. 4, pp. 245-264, 2017, doi: 10.7409/rabdim.017.016.