The influence of highly modified asphalt binder on pavement fatigue life prediction - selected problems

• Autorzy: Błażejowski Krzysztof , Złotowska Magdalena , Nagórski Roman , Tutka Paweł

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.138521

Warianty tytułu

PL

Wpływ asfaltu wysokomodyfikowanego na prognozę trwałości zmęczeniowej nawierzchni drogowej - wybrane zagadnienia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The introduction of new road pavement materials causes the need to verify whether the existing pavement design methods enable correct incorporation of their properties. In the case of asphalt pavements, the origins of contemporary methods may be traced back to the mid-20th century, when solely unmodified binders were used. The introduction of highly SBS-modified binders in 2009 significantly changed the behaviour of the asphalt mixtures and the entire pavement structure. Asphalt courses are now characterised by very high flexibility, elasticity and fatigue resistance, with simultaneous high resistance to rutting. The aim of the article is to present the effect of the use of asphalt mixtures with HiMA (Highly Modified Asphalt) binders in different variants of flexible pavement structures - including one, two or three courses containing HiMA. Fatigue life calculations were performed using the “Similarity Method”, which enables estimation of the fatigue life of the structure based on its relationship with the results of laboratory fatigue tests. The layer system with HiMA in the asphalt base course proved the most advantageous, combining excellent fatigue properties of the mixture containing HiMA with greater stiffness of the wearing and binder courses containing classic binders. The other aspect taken into account in the calculations was the effect of changing the mixture in the asphalt base course from AC 22 to AC 16. This change proved advantageous in all the analysed structures. The deflections and critical strains decreased, while pavement life, determined by fatigue and permanent deformation criteria, increased.

PL

Wprowadzenie do stosowania nowych materiałów do budowy nawierzchni drogowych pociąga za sobą konieczność weryfikacji, czy istniejące metody projektowania konstrukcji nawierzchni w prawidłowy sposób adaptują ich właściwości i czy w konsekwencji uzyskany wynik można uznać za prawidłowy. W przypadku nawierzchni asfaltowych, współcześnie stosowane metody projektowania sięgają swoimi korzeniami połowy XX wieku, a więc czasów, gdy stosowano wyłącznie lepiszcza asfaltowe bez dodatku modyfikatorów. Wprowadzenie w latach 80 XX wieku bitumów modyfikowanych polimerami zmieniło w pewnym zakresie zachowanie nawierzchni, głównie jednak pod względem ulepszeń funkcjonalnych. Pojawienie się w 2009 r. lepiszczy wysokomodyfikowanych SBS, o odwróconej fazie polimer-bitum, gdzie lepiszcze przejęło dużą część cech polimeru zmieniło bardzo wiele w zachowaniu mieszanek asfaltowych i w konsekwencji całej struktury. Warstwy asfaltowe stały się niezwykle podatne, sprężyste, wytrzymałe zmęczeniowo, z jednoczesną dużą odpornością na koleinowanie. Niesie to za sobą wiele konsekwencji dla pracy układu warstw, w tym na sposób powstawania odkształceń krytycznych. Celem artykułu jest przedstawienie efektów zastosowania mieszanek asfaltowych z asfaltami wysokomodyfikowanymi typu HiMA (Highly Modified Asphalt) w różnych wariantach nawierzchni podatnych - z jedną, dwiema i trzema warstwami HiMA (full-HiMA). Do obliczeń trwałości zmęczeniowej wykorzystano autorską “metodę podobieństw”, która pozwala oszacować trwałości na podstawie relacji z wynikami zmęczenia uzyskanymi w laboratorium. Trwałość ze względu na deformacje strukturalnie obliczono klasycznie, wg równania Instytutu Asfaltowego. Wyniki wskazują, że wszystkie warianty z warstwami z HiMA prezentują z punktu widzenia trwałości zmęczeniowej lepsze wyniki niż wariant referencyjny z lepiszczami klasycznymi. Najkorzystniejszy okazał się układ z warstwą HiMA w ostatniej dolnej warstwie asfaltowej, łączący świetne właściwości zmęczeniowe mieszanki asfaltowej z HiMA, z wykorzystaniem większej sztywności warstwy wiążącej i ścieralnej z klasycznymi lepiszczami. Im więcej warstw z asfaltami wysokomodyfikowanymi HiMA, tym mniejsza trwałość, zarówno pod względem zmęczeniowym, jak i deformacji strukturalnych. Przyczyną takiego wyniku jest znacząco mniejsza sztywność warstw asfaltowych z HiMA (o około 30%) co przekłada się na wzrost ugięcia nawierzchni i odkształceń krytycznych. Dodatkowo, wyraźnie kształtuje się zależność, że im większa liczba warstw asfaltowych z HiMA - o mniejszej sztywności, tym większe znaczenie będzie miała trwałość ze względu na deformacje strukturalne a mniejsze trwałość zmęczeniowa. Niemniej jednak, stosowanie mieszanek asfaltowych z HiMA w więcej niż jednej warstwie ma swoje uzasadnienie w cechach funkcjonalnych, takich jak odporność na spękania niskotemperaturowe, odbite, koleinowanie itd., dzięki czemu nawierzchnia charakteryzuje się nie tylko dużą trwałością strukturalną, ale i użytkową. Ostatnim aspektem obliczeń było sprawdzenie efektu zamiany rodzaju mieszanki asfaltowej w podbudowie, z AC 22 na AC 16. Zamiana ta okazała się korzystna dla wszystkich analizowanych konstrukcji. Zmniejszyły się ugięcia oraz odkształcenia krytyczne, a zwiększyły się trwałości obliczeniowe zarówno ze względu na spekania zmęczeniowe, jak i na deformacje strukturalne.

Słowa kluczowe

EN

road pavement; highly modified binder; asphalt binder; fatigue life prediction; durability analysis

PL

nawierzchnia drogowa; lepiszcze asfaltowe; lepiszcze wysokomodyfikowane; prognoza; trwałość zmęczeniowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 4
• Strony: 605--624
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Błażejowski Krzysztof

• ORLEN Asfalt sp. z o.o., R&D Dept., Warsaw, Poland

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

autor

Złotowska Magdalena

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1654-1859

autor

Nagórski Roman

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1039-1530

autor

Tutka Paweł

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0879-0310

Bibliografia

• [1] K. Błażejowski, et al., “Mieszanki i nawierzchnie z ORBITON HiMA”. ORLEN Asfalt, Poland, 2020.
• [2] K. Błażejowski and M. Wójcik-Wiśniewska, “Bitumen Handbook”. ORLEN Asfalt, Poland, 2017.
• [3] K. Błażejowski, et al., “Low-temperature properties of bituminous binders and asphalt mixtures”, in Proceedings of the 29th International Baltic Road Conference, Tallin, Estonia, 2017.
• [4] K. Błażejowski, M. Wójcik-Wiśniewska, and W., Baranowska, “Highly modified binders ORBITON HiMA”. Handbook, ORLEN Asfalt, Poland, 2018.
• [5] K. Błażejowski, et al., “Fatigue performance of bituminous binders tested by linear amplitude sweep test”, in Proceedings of the 5th International Symposium on Asphalt Pavements & Environment (ISAP APE 2019), vol. 48, pp. 385-394, Springer, Cham, 2020, DOI: 10.1007/978-3-030-29779-4_38.
• [6] K. Błażejowski, et al., “The Performance of a highly modified binders for heavy duty asphalt pavements”. Transportation Research Procedia, vol. 14, pp. 679-684, Warsaw, 2016, DOI: 10.1016/j.trpro.2016.05.331.
• [7] Jh. Habbouche, “Structural coefficients of high polymer modified asphalt mixes based on mechanistic-empirical analyses and full-scale pavement testing”. PhD dissertation, University of Nevada, 2019.
• [8] P.C. Hopman, “The Visco-Elastic Multilayer Program VEROAD”. Heron, vol. 41, no. 1, 1996.
• [9] J. Judycki, et al., “Analizy i projektowanie konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych”. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warsaw, Poland, 2014.
• [10] R.Q. Kluttz, et al., “Highly modified bitumen for prevention of winter damage in OGFCs”, in Airfield and Highway Pavement 2013: Sustainable and Efficient Pavements; American Society of Civil Engineers, Reston, VA, USA, 2013, DOI: 10.1061/9780784413005.090.
• [11] R.Q. Kluttz, et al., “Fatigue performance of highly modified asphalt mixtures in laboratory and field environment”, in Proceedings of the 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2012.
• [12] R.Q. Kluttz, et al., “Modified base courses for reduced pavement thickness and improved longevity“, in Proceedings of the International Conference on Perpetual Pavement, Columbus, OH., 2009.
• [13] A.A.A. Molenaar, et al., “Advanced mechanical testing of polymer modified base course mixes”, in Proceedings of the 4th Eurasphalt & Eurobitume Congress, Copenhagen, Denmark, 2008.
• [14] M. Nagórska, R. Nagórski, and K. Błażejowski, “Selected aspects of design lifespan of flexible pavement with anti-fatigue course”. Archives of Civil Engineering, vol. 61, no. 1, pp. 103-118, 2015, DOI: 10.1515/ace-2015-0007.
• [15] R. Nagórski, et al., “Mechanika nawierzchni drogowych w zarysie”. Wydawnictwo naukowe PWN, Warsaw, Poland pp. 660, 2014.
• [16] M.E. Nunn, et al., “Design of long-life roads for heavy traffic,“ Transport Research Laboratory Report 250, 1997.
• [17] M.E. Nunn, “Long-life flexible roads”. in Proceedings of the Eighth International Conference on Asphalt Pavements, Federal Highway Administration, Seattle, WA, USA, 1997.
• [18] E. Pasquini, et al., “Laboratory characterization and field validation of geogrid-reinforced asphalt pavements”. Road Materials and Pavement Design, vol. 14, no. 1, pp. 17-35, 2013, DOI: 10.1080/14680629.2012.735797.
• [19] A.C. Pronk, “Revival of the huet-sayegh response model”. DWW-2003-29; RHED: Delft, The Netherland, 2003.
• [20] R. Roque, et al., “Development and field evaluation of energy-based criteria for top-down cracking performance of hot mix asphalt”. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, vol. 73, pp. 229-260, 2004.
• [21] L. Sun, “Structural behavior of asphalt pavements”. Butterworth-Heinemann: Oxford, UK, 2016.
• [22] T. Svasdisant, et al., “Mechanistic analysis of top-down cracks in asphalt pavements”. Transportation Research Record, Journal of Transportation Research Board, vol. 1809, pp. 126-136, 2002, DOI: 10.3141/1809-15.
• [23] Y. Tian, et al., “Calibrating the mechanistic-empirical pavement design guide rutting models using accelerated pavement testing”. Transportation Research Record, Journal of the Transportation Research Board, vol. 2672, no. 40, pp. 304-314, 2018, DOI: 10.1177/0361198118788426.
• [24] D. Timm, M. Robbins, and R. Kluttz. “Full-scale structural characterization of a highly polymer-modified asphalt pavement”, in Proceedings of the 90th Annual Transportation Research Board, Washington DC, 2011.
• [25] H. Von Quintus, “Quantification of the effects of polymer-modified asphalt”. Engineering Report ER 15, Asphalt Institute, pp. 1-8, 2005.
• [26] M. Wesołowska, D. Ryś, “Analysis of the fatigue life of neat and modified bitumens using linear amplitude sweep test”. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, vol. 17, pp. 317-336, 2018, DOI: 10.7409/rabdim.018.020.
• [27] J. Willis, et al., “Laboratory evaluation of a high polymer plant-produced mixture”. Road Materials and Pavement Design, vol. 13, no. 1, pp. 260-280, 2012, DOI: 10.1080/14680629.2012.657077.
• [28] M. Złotowska, R. Nagórski, and K. Błażejowski, “Concept of similarity method for prediction of fatigue life of pavement structures with hima binder in asphalt layers”. Materials, vol. 14, no. 3, p. 480, 2021, DOI: 10.3390/ma14030480.
• [29] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. Załącznik 5. Projektowanie konstrukcji nawierzchni dróg. Dziennik Ustaw Rzeczpospolitej Polskiej, nr 43, poz. 430 (Ordinance of the Minister of Transport and Maritime Economy of 2 March 1999 on the technical conditions to be met by public roads and their location. Annex 5: Design of road pavement structures. Journal of Laws of the Republic of Poland, no. 43, item 430).
• [30] EN 12591:2009. Bitumen and bituminous binders - Specifications for paving grade bitumens.
• [31] EN 12697-24:2018. Bituminous mixtures - Test methods - Part 24: Resistance to fatigue.
• [32] EN 12697-26:2018. Bituminous mixtures - Test methods - Part 26: Stiffness.
• [33] EN 12697-44:2018. Bituminous mixtures - Test methods - Part 44: Crack propagation by semi-circular bending test
• [34] EN 12697-46:2020. Bituminous mixtures - Test methods - Part 46: Low temperature cracking and properties by uniaxial tension tests.
• [35] EN 13108-1:2016. Bituminous mixtures - Requirements - Part 1: Asphalt Concrete.
• [36] EN 13108-5:2016. Bituminous mixtures - Requirements - Part 5: SMA.
• [37] EN 13398:2017-12. Bitumen and bituminous binders - Determination of the elastic recovery of modified bitumen.
• [38] EN 14023:2009. Bitumen and bituminous binders. Specification framework for polymer modified bitumens.
• [39] PN-EN 14023:2011/Ap.1:2014 Asfalty i lepiszcza asfaltowe. Zasady klasyfikacji asfaltów modyfikowanych polimerami.
• [40] Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad - Politechnika Gdańska, Warszawa-Gdańsk, 2013. (Catalog of typical constructions of flexible and semi-rigid pavements, General Directoriate for national roads and motorways - Gdańsk University of Technology, Warsaw-Gdańsk, 2013).
• [41] Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych - WT-2.Wymagania techniczne - 2, część 1, Mieszanki mineralno-asfaltowe na drogach krajowych, GDDKiA 2014 (Asphalt pavements on national roads - Technical Guidelines WT-2, part 1 - Asphalt mixtures on national roads. General Directorate for National Roads and Highways 2014).