Application of the new viscoelastic method of thermal stress calculation to the analysis of low-temperature cracking of ashpalt layers

• Autorzy: Judycki Józef

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.020.002

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie nowej metody obliczania naprężeń termicznych opartej na teorii lepko-sprężystości do analizy spękań niskotemperaturowych w warstwach asfaltowych nawierzchni

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

High Modulus Asphalt Concrete base course of a motorway under construction cracked severely during the first winter after paving. The new viscoelastic method of thermal stress calculation was used to gain a better understanding of the mechanism of thermal stresses and development of low-temperature cracking in asphalt layers. This paper presents pavement structure and materials, thermal cracks intensity assessment, field and laboratory testing and the outline of the new viscoelastic method. Thermal stresses in the HMAC base course were calculated at its surface and at the depth of 5 cm at the time when transverse cracking occurred. The calculated thermal stresses were compared with tensile strength of the material. Probability of low-temperature cracking was determined. The results presented in the paper confirmed that the new method of thermal stress calculation was a valuable tool for analysis of low-temperature cracking. Several uncertainties and unsolved issues related to low-temperature cracking, which were discovered during the analysis, were described.

PL

W trakcie budowy nowej nawierzchni autostradowej warstwa podbudowy wykonana z betonu asfaltowego o wysokim module sztywności doznała znacznych spękań w pierwszej zimie po wbudowaniu. Nowa metoda obliczania naprężeń termicznych oparta na teorii lepko-sprężystości została wykorzystana w celu rozpoznania zmienności naprężeń termicznych i mechanizmu powstawania spękań niskotemperaturowych w warstwach asfalto- wych. W artykule przedstawiono konstrukcję nawierzchni i materiały w niej zastosowane, ocenę intensywności spękań, badania terenowe i laboratoryjne, jak również opis nowej metody opartej na teorii lepko-sprężystości. Dokonano obliczeń naprężeń termicznych na powierzchni podbudowy z betonu asfaltowego o wysokim module sztywności oraz na głębokości 5 cm w okresie, w którym wystąpiły spękania poprzeczne. Wyliczone naprężenia niskotemperaturowe zestawiono z wytrzymałością materiału na rozciąganie. Wyznaczono prawdopodobieństwo wystąpienia spękań niskotem- peraturowych. Wyniki potwierdziły, że nowa metoda obliczania naprężeń termicznych stanowi przydatne narzędzie do analizy spękań niskotemperaturowych. Opisano kilka stwierdzonych podczas analizy wątpliwości i nierozstrzygniętych jeszcze kwestii związanych z zagadnieniem spękań niskotemperaturowych.

Słowa kluczowe

EN

High Modulus Asphalt Concrete; low-temperature cracking of asphalt layers; probability of cracking of asphalt; theory of viscoelasticity; viscoelastic stress analysis in asphalt layers

PL

analiza naprężeń w warstwach asfaltowych; beton asfaltowy o wysokim module sztywności; prawdopodobieństwo spękań; spękania niskotemperaturowe warstw; teoria lepko-sprężystości

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 19, no. 1
• Strony: 27--49
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Judycki Józef

• Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Instytut Dróg i Mostów, Katedra Inżynierii Drogowej i Transportowej

Bibliografia

• 1. Judycki J.: A new viscoelastic method of calculation of low-temperature thermal stresses in asphalt layers of pavements. International Journal of Pavement Engineering, 19, 1 2017, 24-36, DOI: 10.1080/10298436.2016.1149840
• 2. Judycki J., Jaskuła P., Dołżycki B., Pszczoła M., Jaczewski M., Ryś D., Stienss M.: Investigation of low-temperature cracking in newly constructed high- -modulus asphalt concrete base course of a motorway pavement. Road Materials and Pavement Design, 16, 1, 2015, 362-388, DOI: 10.1080/14680629.2015.1029674
• 3. Pszczoła M.: Low-temperature cracking of asphalt layers of pavements. PhD Thesis, Gdańsk University of Technology, Gdańsk, Poland, 2006, 1-38, (in Polish)
• 4. Geng L., Ren R., Zhong Y., Xu Q.: Thermal stresses of flexible pavement with consideration of temperature-dependent material characteristics using stiffness matrix method. Mechanics of Time-Dependent Materials, 15, 2011, 73-87, DOI: 10.1007/s11043-010-9125-6
• 5. Marasteanu M., Butler W., Bahia H., Wiliams C., et al.: Investigation of Low Temperature Cracking in Asphalt Pavements, National Pooled Fund Study - Phase II. Research Project 2012-23, Department of Civil Engineering, University of Minnesota, 2012, https://www.dot.state.mn.us/research/TS/2012/2012-23.pdf
• 6. Pszczoła M, Judycki J.: Comparison of Calculated and Measured Thermal Stresses in Asphalt Concrete. The Baltic Journal of Roads and Bridge Engineering, 10, 1, 2015, 39-45, DOI: 10.3846/bjrbe.2015.05
• 7. Tabatabaee H., Velasquez R., Arshadi A., Bahia H.: Investigation of Low Temperature Cracking in Asphalt Pavements, National Pooled Fund Study - Phase II, Task 5 - Modeling of Asphalt Mixtures Contraction and Expansion Due to Thermal Cycling. University of Wisconsin-Madison, USA, 2012
• 8. Togunde O.P., Hesp S.A.M.: Physical hardening in asphalt mixtures. International Journal of Pavement Research Technology, 5, 1, 2012, 46-53
• 9. Dave E.V., Buttler W.G., Leon S.E., Behnia B., Paulino G.H.: IllTC - Low - Temperature Cracking Model for Asphalt Pavements. Road Materials and Pavement Design, 14, Sup. 2, 2013, 57-78, DOI: 10.1080/14680629.2013.812838
• 10. Hajji E.Y., Souliman M.I., Alavi M.Z., Salazar L.G.L.: Influence of Hydrogreen Bio-asphalt on Viscoelastic Properties of Reclaimed Asphalt Mixtures. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2371, 1, 2013, 13-22, DOI: 10.3141/2371-02
• 11. Ferrar M.J., Hajj E.Y., Planche J.P., Alavi M.Z.: A method to Estimate the Thermal Stress Build-up in an Asphalt Mixture from a Single-Cooling Event. Road Materials and Pavement Design, 14, Sup. 1, 2013, 201-211, DOI: 10.1080/14680629.2013.774756
• 12. Jaczewski M.: Effect of Use of High Modulus Asphalt Concrete on Low-temperature Cracking of Pavements. PhD Thesis, Gdańsk University of Technology, Gdańsk, 2016 (In Polish)
• 13. Zhang W.: Evaluation of field transverse cracking of asphalt pavements. PhD Thesis, Washington State University, Department of Civil and Environmental Engineering, 2015
• 14. Teltayev B., Radovskiy B.: Low Temperature Cracking Problem for Asphalt Pavements in Kazakhstan. The 8RILEM Conference on Mechanisms of Cracking and De-bonding in Pavements, RILEM Bookseries, 13, 2016, 139-144, DOI: 10.1007/978/94/024/0867-6-10
• 15. WT-2, Technical Guidelines, Asphalt Pavements on State Roads, Asphalt Mixes. General Directorate for National Roads and Motorways, 2010. Warsaw, Poland (in Polish), https://www.gddkia.gov.pl/userfiles/articles/d/Dokumenty_techniczne/WT2.pdf
• 16. Judycki J.: Bending Test of Asphaltic Mixtures Under Statical Loading. Proceedings of the Fourth International Symposium RILEM, Mechanical Tests for Bituminous Mixes, Budapest, 1990, 207-233
• 17. Judycki J.: Verification of the new viscoelastic method of thermal stress calculation in asphalt layers of pavements. International Journal of Pavement Engineering, 19, 8, 2018, 725-737, DOI: 10.1080/10298436.2016.1199883
• 18. NMEPDG, Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. Final Report, Part 2, Design Inputs, National Cooperative Highway Research Program, 2004
• 19. Sugawara.T., Moriyoshi A.: Thermal fracture of bituminous mixtures, Proc. Paving in Cold Areas Mini-Workshop, 1984, 291-320
• 20. Gerritsen A.H., Jongeneel D.J.: Fatigue Properties of Asphalt Mixes Under Conditions of Very Low Loading Frequency. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 57, 1988, 94-115
• 21. Vinson T.S., Janoo V.C., Haas R.C.G.: Low Temperature and Thermal Fatigue Cracking. Strategic Highway Research Program Summary Report No. SR-OSU-A-003A-89-1, 1989
• 22. Jackson N.M.: Analysis of Thermal Fatigue Distress of Asphalt Concrete Pavements. PhD Thesis, Oregon State University, USA, 1992, 25-67
• 23. Janoo V., Bayer J., Walsh M.: Thermal Stress Measurements in Asphalt Concrete. CRREL Report 93-10, US Army Corps of Engineers, 1993, 13-37
• 24. Jackson N.M., Vinson T.S.: Analysis of Thermal Fatigue Distress of Asphalt Concrete Pavements. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 1545, 1996, 43-48
• 25. Perez-Jimenez F., Valdes G., Miro R., Botella R., Campana J.M.: Effect of Thermal Stresses on Fatigue Behaviour of Bituminous Mixes. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2210, 2011, 90-96
• 26. Steiner D., Hofko B., Dimitrov M., Blab R.: Impact of Loading Rate and Temperature on Tensile Strength of Asphalt Mixtures at Low Temperatures. The 8RILEM Conference on Mechanisms of Cracking and De-bonding in Pavements, RILEM Bookseries, 13, 2016, 69-74, DOI: 10.1007/978/94/024/0867-6-10
• 27. Hesp S.A.M., Soleimani A., Subramani S., Philips T., Smith D., Marks P., Tam K.K.: Asphalt pavement cracking: Analysis of extraordinary life cycle variability in Eastern and Northeastern Ontario. International Journal of Pavement Engineering, 10, 3, 2009, 209-227
• 28. Judycki J.: Influence of Low-Temperature Physical Hardening on Stiffness and Tensile Strength of Asphalt Concrete and Stone Mastic Asphalt. Construction and Building Materials, 61, 2014, 191-199, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.03.011

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).