VECD method as a tool for evaluation of pavement structure fatigue performance

• Autorzy: Ostrowski Przemysław , Zofka Adam , Błażejowski Krzysztof

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.021.012

Warianty tytułu

PL

Metoda VECD jako narzędzie do oceny trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The technical progress and introduction of advanced materials with superior properties, e.g. asphalt mixtures containing highly modified asphalt binders (HiMA), necessitates investigations of methods that would enable comprehensive consideration of characteristics of the new materials in calculations. Such methods may include the methodology based on viscoelastic continuum damage model (VECD). The article presents the VECD model and its potential for use in pavement structure design. Individual components of the method are described: the elastic-viscoelastic correspondence principle, continuum damage mechanics and the time-temperature superposition principle with growing damage. The concept of calculations using the simplified viscoelastic continuum damage model (S-VECD) is presented as well. The article also includes descriptions of the established failure criteria and the test methods that provide input data. Closing sections of the article present an example of comparative analysis using the S-VECD method for structures with HiMA mixtures in base layer only and and HiMA mixtures in all layers (full-HiMA structures).

PL

Postęp technologiczny i wprowadzenie do stosowania zaawansowanych materiałów o ponadstandardowych właściwościach, np. mieszanek mineralno-asfaltowych z lepiszczami wysokomodyfikowanymi polimerami HiMA (ang. highly modified asphalt), wymaga poszukiwania metody umożliwiającej kompleksowe uwzględnienie cech tych materiałów w obliczeniach. Jedną z takich metod może być metoda wykorzystująca model rozproszonego niszczenia w ośrodku lepkosprężystym (ang. viscoelastic continuum damage model, VECD). W artykule zaprezentowano metodologię opartą na modelu VECD oraz możliwości, jakie daje przy wymiarowaniu nawierzchni drogowych. Opisano poszczególne komponenty metody: analogię sprężysto-lepkosprężystą, mechanikę rozproszonego niszczenia i zasadę równoważności temperaturowo-czasowej z przyrostowym niszczeniem. Przedstawiono również koncepcję uproszczonych obliczeń w metodzie S-VECD (ang. simplified viscoelastic continuum damage model). Artykuł zawiera opisy opracowanych kryteriów zniszczenia. Przybliżono również metody badań, które dostarczają danych wejściowych. W końcowej części artykułu przedstawiono przykładową analizę porównawczą z wykorzystaniem metody S-VECD dla konstrukcji z mieszankami mineralno-asfaltowymi z HiMA w warstwie podbudowy i mieszankami mineralno-asfaltowymi z HiMA we wszystkich warstwach.

Słowa kluczowe

EN

fatigue performance; HiMA; VECD

PL

HiMA; trwałość zmęczeniowa; VECD

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 20, no. 2
• Strony: 189--212
• Opis fizyczny: Bibliogr. 62 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Ostrowski Przemysław

• ORLEN Asfalt sp. z o.o. ul. Łukasiewicza 39, 09-400 Płock

autor

Zofka Adam

• Instytut Badawczy Dróg i Mostów, ul. Instytutowa 1, 03-302 Warszawa

autor

Błażejowski Krzysztof

• ORLEN Asfalt sp. z o.o. ul. Łukasiewicza 39, 09-400 Płock

Bibliografia

• 1. Mackiewicz P.: Fatigue cracking in road pavement. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 356, 1, 2018, 012014, DOI: 10.1088/1757-899X/356/1/012014
• 2. West R., Timm D., Willis J.R., Powell B., Tran N., Watson D., et al. Phase IV NCAT Pavement Test Track Findings: Final Report. NCAT Report 12-10. 2012
• 3. West R., Timm D., Willis R., Powell B., Tran N., Watson D., et al.: Phase IV NCAT Pavement Test Track Findings, Final Report. National Center for Asphalt Technology NCAT, Auburn University, 2013
• 4. Molenaar A., van de VerPoot M.R., Liu X., Scarpas A., Scholten E.J., Klutz R.: Modified Base Courses for Reduced Pavement Thickness and Increased Longevity. Proceedings of the International Conference on Perpetual Pavement, Columbus, OH, 2009
• 5. Kluttz .R, Willis R., Molenaar A., Scarpas T., Scholten E.: Fatigue Performance of Highly Modified Asphalt Mixtures in Laboratory and Field Environment. 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements, RILEM Bookseries, 4, 2012, 687-696, DOI: 10.1007/978-94-007-4566-7_67
• 6. Kluttz R.Q., Jellema E., Woldekidan M.F., Huurman M.: 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. 2013, 1075-1087
• 7. Timm D.H.: Full-scale structural characterization of a highly-polymer-modified asphalt pavement. TRB 90th Annual Meeting, Transportation Research Record, 250, 2011, 1-16
• 8. Timm D.H., Willis J.R., Kluttz R.Q., Powell R.: Pavement Rehabilitation Using High Polymer Asphalt Mix. In: 5th Eurasphalt & Eurobitume Congress. TRB 91st Annual Meeting, 2012. 1-17
• 9. Tabor Z.: Doświadczenia ze stosowania asfaltów wysokomodyfikowanych na drogach wojewódzkich województwa śląskiego. In: Krakowskie Dni Nawierzchni, 2019, https://nawierzchniedrogowe.konferencjespecjalistyczne.pl/images/pdf/KDN19_Prezentacje/11ZTabor_Doswiadczenia_ze_stosowania_asfaltow_wysokomodyfikowanych_na_drogach_wojewodzkich_wojewodztwa_slaskie
• 10. Błazejowski K., Wójcik-Wiśniewska M., Peciakowski H., Olszacki J.: The Performance of a Highly Modified Binders for Heavy Duty Asphalt Pavements. Transportation Research Procedia, 14, 2016, 679-684, DOI: 10.1016/j.trpro.2016.05.331
• 11. Wesołowska M., Ryś D.: Analysis of the Fatigue Life of Neat and Modyfied Bitumens Using Linear Aamplitude Sweep Test. Road and Bridges - Drogi i Mosty, 17, 4, 2018, 317-336, DOI: 10.7409/rabdim.018.020
• 12. Bańkowski W.: Analysis of fatigue life of asphalt concretes considering different types of mixtures and binders. Roads and Bridges - Drogi i Mosty. 17, 4, 2018. 253-270, DOI: 10.7409/rabdim.018.016
• 13. Judycki J., Jaskuła P., Dołżycki B., Pszczoła M., Alenowicz J., Stienss M., et al.: Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Pólsztywnych. GDDKiA, 2013, 1-117
• 14. AASHTO Mechanistic Empirical Pavement Design Guide: A Manual Practice. American Association of State Highway and Transportation Officials, 2008
• 15. Judycki J., Jaskula P., Pszczola M., Rys D., Jaczewski M., Alenowicz J., et al.: Analizy i Projektowanie konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. WKiŁ, Warszawa, 2014, 452p
• 16. Zbiciak A., Brzeziński K.: Porównanie procedur projektowania nawierzchni podatnych i półsztywnych na podstawie starego i nowego polskiego katalogu typowych konstrukcji. w: Teoretyczne podstawy budownictwa. Tom III Konstrukcje inżynierskie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2013, 103-114
• 17. Jaskuła P., Bańkowski W., Alenowicz J., Sybilski D., Dołżycki B., Gajewski M., et al.: Asfalty drogowe i modyfikowane w polskich warunkach klimatycznych, kompleksowa charakterystyka mieszanek mineralno-asfaltowych w warunkach laloratoryjnych z uwzględnieniem mechanizmów zniszczenia nawierzchni. Raport RID, 2018,1-25
• 18. Błażejowski K., Wójcik-Wiśniewska M., Baranowska W., Ostrowski P.: Poradnik asfaltowy 2021, Płock: ORLEN Asfalt, 2021. https://www.orlen-asfalt.pl/PL/InformacjeTechniczne/Documents/PDF/Poradnik_2021.pdf
• 19. Błażejowski K., Wójcik-Wiśniewska M., Baranowska W., Ostrowski P.: Highly Modyfied Binders. ORLEN Asfalt; Płock, 2018. https://www.orlen-asfalt.pl/PL/InformacjeTechniczne/Strony/Nasze-Publikacje.aspx
• 20. Błażejowski K., Ostrowski P., Wójcik-Wiśniewska M., Baranowska W.: Mieszanki i Nawierzchnie z ORBITON HiMA. ORLEN Asfalt, Płock, 2020, https://www.orlen-asfalt.pl/PL/InformacjeTechniczne/Documents/PDF/Mieszanki_i_Nawierzchnie_z_ORBITON_HiMA_2020_pl.pdf
• 21. Schapery R.A.: A theory of crack initiation and growth in viscoelastic media - III. Analysis of continuous growth. International Journal of Fracture, 11, 4, 1975, 549-562
• 22. Schapery R.A.: Correspondence principles and a generalized J integral for large deformation and fracture analysis of viscoelastic media. International Journal of Fracture, 25, 3, 1984, 195-223
• 23. Schapery R.A.: A theory of mechanical behavior of elastic media with growing damage and other changes in structure. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 38, 2,1990, 215-253
• 24. Monismith C., Epps J.A., Kasianchuck D.A., McLean D.B.: Asphalt Mixture Behavior In Repeated Flexure. University of California, Berkeley, 1970
• 25. Shook J.F., Finn F.N., Witczak M.W., Monismith C.: Thickness Design of Asphalt Pavements -The Asphalt Institute Method. Proc. of 5th International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements, Vol. 1, Delft, Netherlands, 1982, 17-44
• 26. Jaczewski M., Judycki J.: Adaptacja francuskich kryteriów zmęczeniowych do projektowania nawierzchni półsztywnych w warunkach polskich. Drogownictwo. 62, 5, 2012, 164-170
• 27. Navrhování vozovek pozemních komunikací. Technické Podmínky, TP170, 2010, http://www.pjpk.cz/data/USR_001_2_8_TP/TP_170_Dodatek_1.pdf
• 28. RVS 03.08.68 Rechnerische Dimensionierung von Asphaltstraßen. Die Forschungsgesellschaft Straße - Schiene - Verkehr (FSV), 2018
• 29. Ryś D., Jaskuła P., Jaczewski M., Pszczoła M.: Application and Evaluation of M-EPDG for Performance Analysis of Polish Typical Flexible and Rigid Pavements. Road and Bridges - Drogi i Mosty. 18, 4, 2019, 283-302, DOI: 10.7409/rabdim.019.019
• 30. Mazurek G., Iwanski M.: Analysis of selected properties of asphalt concrete with synthetic wax. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences. 66, 2, 2018, 217-228. DOI: 10.24425/122102
• 31. Abbas A., Masad E., Papagiannakis T., Shenoy A.: Modelling asphalt mastic stiffness using discrete element analysis and micromechanics-based models. International Journal of Pavement Engineering. 6, 2, 2005, 137-146. DOI: 10.1080/10298430500159040
• 32. Park S.W., Kim Y.R., Schapery R.A.: A viscoelastic continuum damage model and its application to uniaxial behavior of asphalt concrete. Mechanics of Materials. 24, 4, 1996, 241-255. DOI: 10.1016/S0167-6636(96)00042-7
• 33. Kim Y.R., Little D.N.: Chemical and mechanical evaluation on healing mechanism of asphalt concrete. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists. 59, 1990, 240-275
• 34. Schapery R.A.: On viscoelastic deformation and failure behavior of composite materials with distributed flaws. Advances in Aerospace Structures and Materials, AD-01, 1981, 5-20
• 35. Schapery R.A.: Analysis of damage growth in particulate composites using a work potential. Composites Engineering, 1, 3, 1991, 167-182. DOI: 10.1016/0961-9526(91)90017-M
• 36. Kim Y.T.: Fatigue characterization of asphalt concrete using viscoelasticity and continuum damage theory. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists. 66, 1997, 520-569
• 37. Lee H.J.: Viscoelastic Constitutive Modeling of Asphalt Concrete Using Viscoelasticity and Continuum Damage Theory. Ph.D. Dissertation, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA, 1996
• 38. Schapery R.A.: A micromechanical model for non-linear viscoelastic behavior of particle-reinforced rubber with distributed damage. Engineering Fracture Mechanics. 25, 5-6, 1986, 845-867. DOI: 10.1016/0013-7944(86)90046-9
• 39. Park S.W.: Development of a Nonlinear Thermo- Viscoelastic Constitutive Equation for Particulate Composites with Growing Damage. PhD Dissertation, The University of Texas, Austin, TX, 1994.
• 40. Lee H.J., Kim Y.R.: Viscoelastic Continuum Damage Model of Asphalt Concrete with Healing. Journal of Engineering Mechanics. 124, 11, 1998, 1224-1232. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(1998)124:11(1224)
• 41. Daniel J.S.: Development of a Simplified Fatigue Test and Analysis Procedure Using a Viscoelastic, Continuum Damage Model and its Implementation to WesTrack Mixtures. PhD Dissertation, North Carolina State University, Raleigh, NC; 2001
• 42. Kutay M.E., Lanotte M.. Viscoelastic continuum damage (VECD) models for cracking problems in asphalt mixtures. International Journal of Pavement Engineering [Internet]. 19, 3, 2017, 231-242. DOI: 10.1080/10298436.2017.1279492
• 43. Underwood B.S., Kim Y.R., Guddati M.N.: Improved calculation method of damage parameter in viscoelastic continuum damage model. International Journal of Pavement Engineering. 11, 6, 2010, 459-476. DOI: 10.1080/10298430903398088
• 44. Gordon G.V., Shaw M.T.: Computer programs for rheologists. Hanser Pub Inc; Munich, 1994. 324p
• 45. Di Benedetto H., Sauzeat C., Bilodeau K., Buannic M., Mangiafico S., Nguyen QT, et al.: General overview of the time-temperature superposition principle validity for materials containing bituminous binder. International Journal of Roads and Airports. 1, 1, 2011. DOI: 10.5568/ijra.2011-01-03.3552
• 46. Monismith C., Alexander R.L., Secor K.E.: Rheological Behavior of Asphalt Concrete. Journal of Association of Asphalt Paving Technologists, 35, 1966, 400-450
• 47. 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). American Association of State Highway and Transportation Officials, 2017
• 48. Chehab G.R., Kim Y.R., Schapery R.A., Witczak M.W., Bonaquist R.: Time-temperature superposition principle for asphalt concrete with growing damage in tension state. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists. 71, 2002, 559-593
• 49. Underwood B.S, Kim Y.R., Guddati M., Pellinen T., Rongzong W., King G., et al.: Characterization and performance prediction of ALF mixtures using a viscoelastoplastic continuum damage model. In: Asphalt Paving Technology: Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technical Sessions, 75. 2006, 577-636
• 50. Daniel J.S, Kim Y.R, Brown S, Rowe G., Chehab G., Reinke G.: Development of a simplified fatigue test and analysis procedure using a viscoelastic, continuum damage model. In: Asphalt Paving Technology: Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technical Sessions, 71, 2002, 619-650
• 51. Kim Y.R.: Modeling of Asphalt Concrete. McGraw-Hill Education, New York; 2009, 460p.
• 52. Underwood B.S.: Multiscale Constitutive Modeling of Asphalt Concrete, PhD Dissertation, North Carolina State University, Raleigh, NC, 2011.
• 53. Lee H.J., Kim Y.R.: Viscoelastic Constitutive Model for Asphalt Concrete under Cyclic Loading. Journal of Engineering Mechanics, 124, 1, 1998, 32-40, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(1998)124:1(32)
• 54. Lee S.: Investigation of the Effects of Lime on the Performance of HMA using Advanced Testing and Modeling Techniques. PhD Dissertation, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA, 1997
• 55. Reese R.: Properties of Aged Asphalt Binder Related to Asphalt Concrete Fatigue Life. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists. 66, 1997, 604-632
• 56. AASHTO TP 107 Standard Method of Test for Determining the Damage Characteristic Curve and Failure Criterion Using the Asphalt Mixture Performance Tester (AMPT) Cyclic Fatigue Test. American Association of State Highway and Transportation Officials, 2018
• 57. Hou T., Underwood B.S, Kim Y.R.: Fatigue performance prediction of North Carolina mixtures using the simplified viscoelastic continuum damage model. In: Asphalt Paving Technology: Association of Asphalt Paving Technologists - Proceedings of the Technical Sessions, 79, 2010, 35-73
• 58. Wang Y, Kim R.: Development of a pseudo strain energy-based fatigue failure criterion for asphalt mixtures. International Journal of Pavement Engineering [Internet]. 20, 10, 2017, 1182-1192, DOI: 10.1080/10298436.2017.1394100
• 59. Sabouri M, Kim Y.R.: Development of a Failure Criterion for Asphalt Mixtures under Different Modes of Fatigue Loading. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2447, 1, 2014, 117-125. DOI: 10.3141/2447-13
• 60. Zhang J, Sabouri M, Guddati M.N, Kim Y.R.: Development of a failure criterion for asphalt mixtures under fatigue loading. Road Materials and Pavement Design, 14, sup2, 2013, 1-15, DOI: 10.1080/14680629.2013.812843
• 61. AASHTO PP 60 Preparation of Cylindrical Performance Test Specimens Using the Superpave Gyratory Compactor (SGC). American Association of State Highway and Transportation Officials, 2014
• 62. Jaczewski M, Mejłun Ł.: Wyznaczanie parametrów lepkosprężystego modelu Burgersa mieszanek mineralno-asfaltowych na podstawie badania pod obciążeniem dynamicznym. Drogownictwo, 63, 11, 2013, 344-348