Analysis of viscoelastic behaviour in asphalt pavement through four-point beam bending tests

• Autorzy: Jamal Hamza , Khan Rawid , Khan Diyar , Elahi Manzoor , Bashir Muhammad Tariq , Khan Asmat , Khan Waseem Akhtar

Identyfikatory

DOI

10.35784/bud-arch.5501

Warianty tytułu

PL

Analiza lepko-sprężystej pracy nawierzchni asfaltowej za pomocą czteropunktowego testu zginania belki

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study, conducted in accordance with ASTM T321-14 standards, offers crucial insights into the behaviour of asphalt materials subjected to cyclic loading. For proper maintenance and pavement design, it is essential to understand the material response under different loading conditions. This study focuses on the four-point beam bending test to investigate the viscoelastic behaviour of asphalt pavement. The four-point beam bending test is a useful method for determining the material's ability to withstand cyclic loading and deformation, which the material experiences during field traffic conditions. The experimental setup involves subjecting asphalt samples to cyclic loading using a four-point bending apparatus. The imposed load causes the specimen to experience bending strains, representing the actual loading conditions that pavements endure. The data gathered during testing include stress, strain, and deformation properties under various loading conditions. The stress-strain response demonstrates the material's resilience to fatigue, with a gradual decrease in stiffness beyond 10,300 cycles. Fatigue failure criteria include a 50% reduction in initial stiffness for strain-controlled fatigue tests and cracking in stress-controlled tests. The dynamic modulus in a compressive-type, repeated load test follows a three-phase pattern, highlighting the impact of temperature and binder characterization methods on sample performance. The results provide information about the material's resilience to rutting and fatiguecracking, the most significant distresses indicated in asphalt pavements. The findings from this study contribute to an in-depth understanding of the viscoelastic behaviour of asphalt pavement and can aid in the development of improved design guidelines and maintenance strategies characterizing the material response to cyclic loading. Engineers and researchers can make better decisions on the durability and performance of asphalt pavements, resulting in more cost-effective and sustainable road infrastructure.

PL

Niniejsze badanie, przeprowadzone zgodnie z normami ASTM T321-14, oferuje kluczowe spostrzeżenia na temat zachowania materiałów asfaltowych poddawanych cyklicznemu obciążeniu. Dla właściwego utrzymania i projektowania nawierzchni, niezbędne jest zrozumienie reakcji materiału na różne warunki obciążeniowe. Badanie to koncentruje się na teście zginania belki w schemacie czteropunktowym, aby zbadać zachowanie lepko-sprężyste nawierzchni asfaltowej. Czteropunktowy test zginania belki jest użyteczną metodą do określenia zdolności materiału do wytrzymywania cyklicznego obciążenia i deformacji, które materiał doświadcza w warunkach ruchu drogowego. Badanie polega na poddawaniu próbek asfaltowych cyklicznemu obciążeniu za pomocą aparatury w schemacie czteropunktowego zginania. Przyłożone obciążenie powoduje powstawanie odkształceń zginających w próbce, co reprezentuje rzeczywiste warunki obciążeniowe, jakim podlegają nawierzchnie. Zebrane dane podczas testów obejmują naprężenia, odkształcenia i deformacje pod różnymi warunkami obciążeniowymi. Odpowiedź naprężeniowo-odkształceniowa pokazuje odporność materiału na zmęczenie, z stopniowym spadkiem sztywności po przekroczeniu 10,300 cykli. Kryterium uszkodzenia zmęczeniowego obejmuje 50% redukcję początkowej sztywności dla testów zmęczeniowych kontrolowanych odkształceniem i pękanie w testach kontrolowanych naprężeniem. Dynamiczny moduł w teście powtarzalnego obciążenia typu ściskającego wykazuje trójfazowy wzorzec, podkreślając wpływ temperatury i metod charakteryzacji lepiszcza na właściwości próbki. Wyniki dostarczają informacji na temat odporności materiału na koleinowanie i pękanie zmęczeniowe, które są najistotniejszymi uszkodzeniami wskazywanymi w nawierzchniach asfaltowych. Odkrycia z tego badania przyczyniają się do dogłębnego zrozumienia zachowania lepko-sprężystego nawierzchni asfaltowej i mogą pomóc w opracowaniu ulepszonych wytycznych projektowych oraz strategii utrzymania, charakteryzujących reakcję materiału na cykliczne obciążenie. Inżynierowie i badacze mogą podejmować lepsze decyzje dotyczące trwałości i wydajności nawierzchni asfaltowych, co skutkuje bardziej opłacalną i zrównoważoną infrastrukturą drogową.

Słowa kluczowe

EN

asphalt mixture; deformation properties; four-point beam; fatigue cracking; dynamic modulus

PL

mieszanka asfaltowa; właściwości deformacyjne; belka czteropunktowa; pękanie zmęczeniowe; moduł dynamiczny

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Budownictwo i Architektura
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 23, no. 2
• Strony: 59--72
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Jamal Hamza

• CECOS University of IT and Emerging Sciences; Peshawar

• https://orcid.org/0009-0001-1517-0518

autor

Khan Rawid

• Department of Civil Engineering; UET Peshawar

autor

Khan Diyar

• Doctoral School; Silesian University of Technology; Gliwice

• https://orcid.org/0000-0002-5810-9012

autor

Elahi Manzoor

• Department of Civil Engineering; UET Peshawar

autor

Bashir Muhammad Tariq

• CECOS University of IT and Emerging Sciences; Peshawar

• https://orcid.org/0000-0002-8769-9875

autor

Khan Asmat

• Department of Transportation Engineering; Military College of Engineering; Peshawar

autor

Khan Waseem Akhtar

• Department of Civil Engineering; University of Louisiana at Lafayette

• https://orcid.org/0009-0002-8467-2295

Bibliografia

• 1. Mikolaj J. et al., “Optimization of life cycle extension of asphalt concrete mixtures in regard to material properties, structural design, and economic implications”, Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2016, (2016), pp. 1–9. https://doi.org/10.1155/2016/6158432
• 2. Schlosser F. et al., “Deformation properties and fatigue of bituminous mixtures”, Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2013, (2013), pp. 1–7. https://doi.org/10.1155/2013/701764
• 3. Himeno K. and Kogo K., “The effects of different waveforms and rest period in cyclic loading on the fatigue behavior of the asphalt mixtures”, in Pavement Cracking, CRC Press, 2008. https://doi.org/10.1201/9780203882191.ch50
• 4. Šrámek J., “Stiffness and fatigue of asphalt mixtures for pavement construction”, Slovak Journal of Civil Engineering, vol. 26, no. 2, (Jun. 2018), pp. 24–29. https://doi.org/10.2478/sjce-2018-0010
• 5. Zu-yuan L. et al., “Evaluation of the fractures of asphalt concrete added with rubber particles based on the fine aggregate mixtures”, Construction and Building Materials, vol. 332, (May 2022), p. 127365. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127365
• 6. Khan D. et al., “Performance of hot-mix asphalt using polymer-modified bitumen and marble dust as a filler”, Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition), vol. 10, no. 3, (2023), pp. 385–398. https://doi.org/10.1016/j.jtte.2022.12.002
• 7. Rahmani E. et al., “Effect of confinement pressure on the nonlinear-viscoelastic response of asphalt concrete at high temperatures”, Construction and Building Materials, vol. 47, (2013), pp. 779–788. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.05.090
• 8. Kim J. and Buttlar W. G., “Analysis of reflective crack control system involving reinforcing grid over base-isolating interlayer mixture”, Journal of Transportation Engineering, vol. 128, no. 4, (Jul. 2002), pp. 375–384. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-947X(2002)128:4(375)
• 9. Ali B. et al., “Investigation into the effect of waste engine oil and vegetable oil recycling agents on the performance of laboratory-aged bitumen”, Budownictwo i Architektura, vol. 23, no. 1, (2024), pp. 33–54. https://doi.org/10.35784/bud-arch.5500
• 10. Darabi M. K. et al., “Cyclic hardening-relaxation viscoplasticity model for asphalt concrete materials”, Journal of Engineering Mechanics, vol. 139, no. 7, (Jul. 2013), pp. 832–847. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000541
• 11. Gong M. et al., “Mechanical response analysis of asphalt pavement on curved concrete bridge deck using a mesostructure-based multi-scale method”, Construction and Building Materials, vol. 285, (May 2021), p. 122858. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122858
• 12. Sun Y. et al., “Effect of temperature field on damage initiation in asphalt pavement: A microstructure-based multiscale finite element method”, Mechanics of Materials, vol. 144, (May 2020), p. 103367. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2020.103367
• 13. Carpinteri A. et al., “On the mechanics of quasi-brittle materials with a fractal microstructure”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 70, no. 16, (Nov. 2003), pp. 2321–2349. https://doi.org/10.1016/S0013-7944(02)00220-5
• 14. Ren J. and Sun L., “Characterizing air void effect on fracture of asphalt concrete at low-temperature using discrete element method”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 170, (Feb. 2017), pp. 23–43. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2016.11.030
• 15. Lu D. X. et al., “Effects of specimen size and loading conditions on the fracture behaviour of asphalt concretes in the SCB test”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 242, (Feb. 2021), p. 107452. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107452
• 16. Wu H. et al., “Characterizing fatigue behavior of asphalt mixtures utilizing loaded wheel tester”, Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 26, no. 1, (Jan. 2014), pp. 152–159. https://doi.org/10.1061/(asce)mt.1943-5533.0000791
• 17. Cho Y.-H. et al., “A predictive equation for dynamic modulus of asphalt mixtures used in Korea”, Construction and Building Materials, vol. 24, no. 4, (Apr. 2010), pp. 513–519. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2009.10.008
• 18. Zou X. et al., “Damage analysis four-point bending fatigue tests on stone matrix asphalt using dissipated energy approaches”, International Journal of Fatigue, vol. 133, (Apr. 2020), p. 105453. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105453
• 19. Teng G. et al., “Numerical fracture investigation of single-edge notched asphalt concrete beam based on random heterogeneous FEM model”, Construction and Building Materials, vol. 304, (Oct. 2021), p. 124581. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124581
• 20. Khodaii A. and Mehrara A., “Evaluation of permanent deformation of unmodified and SBS modified asphalt mixtures using dynamic creep test”, Construction and Building Materials, vol. 23, no. 7, (Jul. 2009), pp. 2586–2592. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2009.02.015
• 21. Lytton R. L., “Characterizing asphalt pavements for performance”, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, vol. 1723, no. 1, (Jan. 2000), pp. 5–16. https://doi.org/10.3141/1723-02
• 22. Zhang H. et al., “Effect of Asphalt Mortar Viscoelasticity on Microstructural Fracture Behavior of Asphalt Mixture Based on Cohesive Zone Model”, Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 34, no. 7, (Jul. 2022). https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004277
• 23. ASTM D140/D140M-16., “Standard practice for sampling bituminous materials”.
• 24. Khan D. et al., “Effects of crumb rubber and styrene-butadiene rubber additives on the properties of asphalt binder and the Marshall performance properties of asphalt mixtures”, Budownictwo i Architektura, vol. 22, no. 4, (Dec. 2023), pp. 147–161. https://doi.org/10.35784/bud-arch.5499
• 25. Khan D., “Effect of recycled aggregates and polymer modified bitumen on the Marshall properties of hot mix asphalt- a case study”, Quaid-e-Awam University Research Journal of Engineering, Science & Technology, vol. 21, no. 1, (2023), pp. 16–26. https://doi.org/10.52584/qrj.2101.03
• 26. Hassan T. et al., “Performance evaluation of asphalt binder modified with shear thickening fluid”, Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 35, no. 7, (Jul. 2023). https://doi.org/10.1061/JMCEE7.MTENG-15322
• 27. Sherir M. et al., “Structural performance of polymer fiber reinforced engineered cementitious composites subjected to static and fatigue flexural loading”, Polymers, vol. 7, no. 7, (Jul. 2015), pp. 1299–1330. https://doi.org/10.3390/polym7071299

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).