Application of dynamic complex stiffness modulus master curves of HMA with recycled materials in the mechanistic-empirical design of road pavement structures

• Autorzy: Zborowski Aleksander , Otkałło Kamil

Identyfikatory

DOI

10.7409/RABDIM.023.041

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie krzywych wiodących modułu sztywności MMA z materiałami z recyklingu przy mechanistyczno-empirycznym projektowaniu konstrukcji nawierzchni drogowych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The main objective of the paper is to present the possibilities and advantages of advanced methods for determining the viscoelastic properties of asphalt mixtures produced using recycled materials in individual mechanistic-empirical pavement design. The use of various types of materials in asphalt mixture production can significantly alter their functional parameters, such as the dynamic stiffness modulus. In addition, this parameter changes with the change in the temperature of the road pavement and the speed of vehicles. In order to determine the durability of the pavement structure in an informed manner and minimize the risk of error, it is necessary to investigate and describe as precisely as possible this variability in the behavior of asphalt layers as a result of changes in the properties of input materials, e.g. by the addition of recycled materials and under the influence of changes in temperature and load velocity of the pavement. The most effective approach involves the application of master curves of the dynamic complex stiffness modulus of asphalt mixture, constructed based on research results conducted at different temperatures and loading frequencies. This allows for the determination of stress and deformation states of the pavement construction under various climatic conditions, utilizing seasonal or average monthly temperatures and considering the specific characteristics of pavement operation, such as different vehicle speeds for main routes, connectors, or street intersections. The paper compares the changes in dynamic modulus master curves for different types of asphalt mixtures with and without the addition of waste or recycled materials such as reclaimed asphalt pavement (RAP), rubber from used tires, or synthetic fibres and changes impact on the estimated durability of the pavement structure due to different approaches to determining climatic conditions and movement speed.

PL

Głównym celem artykułu jest przedstawienie możliwości i zalet zaawansowanych metod określania właściwości lepkosprężystych mieszanek mineralno-asfaltowych wyprodukowanych z użyciem materiałów z recyklingu w indywidualnym mechanistyczno-empirycznym projektowaniu konstrukcji nawierzchni. Stosowanie do produkcji MMA różnego typu materiałów może znacząco zmienić ich parametry funkcjonalne, jak np. moduł sztywności dynamicznej. Dodatkowo parametr ten zmienia się wraz ze zmianą temperatury nawierzchni oraz prędkości pojazdów. Aby w sposób świadomy i minimalizujący ryzyko błędu określić trwałość konstrukcji nawierzchni, należy jak najdokładniej zbadać i opisać tę zmienność zachowania się warstw asfaltowych na skutek zmiany właściwości materiałów wsadowych, np. przez udział materiałów pochodzących z recyklingu oraz pod wpływem zmian temperatury i prędkości obciążenia nawierzchni. Najlepszym do tego sposobem jest zastosowanie krzywych wiodących zespolonego modułu sztywności dynamicznej MMA zbudowanych na podstawie wyników badań wykonanych w różnych temperaturach i częstotliwościach obciążenia. Dzięki temu podczas projektowania konstrukcji możemy określić stan naprężeń i odkształceń nawierzchni w różnych warunkach klimatycznych, wykorzystując temperatury sezonowe lub średniomiesięczne oraz uwzględniając specyfikę pracy nawierzchni – inną prędkość pojazdów dla tras głównych, a inną dla łącznic czy skrzyżowań ulic. W artykule porównane zostały wyniki krzywych wiodących dla różnych typów MMA z i bez dodatku materiałów odpadowych lub z recyklingu, takich jak granulat asfaltowy, guma ze zużytych opon czy włókna syntetyczne oraz ich wpływ na szacowaną trwałość konstrukcji nawierzchni ze względu na różne podejście do określania warunków klimatycznych oraz prędkości ruchu.

Słowa kluczowe

EN

dynamic complex stiffness modulus of HMA; master curves; recycling; mechanistic-empirical design of pavement structures; pavement durability

PL

moduł sztywności MMA; krzywe wiodące; recykling; mechanistyczno-empiryczne projektowanie konstrukcji nawierzchni; trwałość nawierzchni

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 22, no. 4
• Strony: 613--624
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zborowski Aleksander

• TPA Sp. z o.o., 8 Parzniewska St., 05-800 Pruszków, Polska

• https://orcid.org/0009-0000-2761-0384

autor

Otkałło Kamil

• TPA Sp. z o.o., 8 Parzniewska St., 05-800 Pruszków, Polska

• https://orcid.org/0009-0007-1338-1075

Bibliografia

• 1. Jaczewski M., Pszczoła M., Alenowicz J., Ryś D., Dołżycki B., Jaskuła P.: Evaluation of thermal cracking probability for asphalt concretes with high percentage of RAP. Construction and Building Materials, 400, 132726, 2023, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132726
• 2. Dołżycki B., Jaczewski M., Szydłowski C., Bańkowski W., Gajewski M.D.: Analysis of selected mechanical properties of mineral-cement-emulsion mixtures (MCE). Roads and Bridges – Drogi i Mosty, 22, 1, 2023, 41–61, DOI: 10.7409/rabdim.023.003
• 3. Judycki J.: Analysis and design of flexible and semi-rigid pavement structures. WKŁ, Warszawa, 2014
• 4. WinJULEA Windows Layered Elastic Analysis. GSL – Airfields & Pavements Branch. US Army Corps of Engineers. Engineering Research & Development Center, Vicksburg, Mississippi
• 5. Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide: A Manual of Practice. July 2008, Interim Edition. AASHTO, 2008
• 6. Catalogue of Typical Flexible and Semi-Rigid Pavement Structures. Attachment to Ordinance No. 31 of 16.06.2014. General Director for National Roads and Motorways, Warsaw, 2014
• 7. Asphalt surfaces on national roads. WT-2 2014 – part I: Mineral and asphalt mixtures. Technical requirements. Appendix to the Ordinance No. 54 of the General Director for National Roads and Motorways of 18 November 2014 amending the ordinance on the application of technical requirements on national roads regarding mineral and asphalt mixtures. General Director for National Roads and Motorways, Warsaw, 2014
• 8. Witczak M.W.: Simple Performance Test for Superpave Mix Design. NCHRP Report 465. Transportation Research Board, Washington, DC United States, 2002
• 9. Monismith C.L., Alexander R.L., Secor K.E.: Rheologic Behavior of Asphalt Concrete. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 35, 1966, 400–450
• 10. AASHTO R 62–13 (2017): Standard Practice for Developing Dynamic Modulus Master Curves for Asphalt Mixtures. American Association of State and Highway Transportation Officials, 2017
• 11. AASHTO R 84–17 (2021): Standard Practice for Developing Dynamic Modulus Master Curves for Asphalt Mixtures Using the Asphalt Mixture Performance Tester (AMPT). American Association of State and Highway Transportation Officials, 2021
• 12. Pellinen T., Witczak M.W., Bonaquist R.F: Asphalt Mix Master Curve Construction Using Sigmoidal Fitting Function with Non-Linear Least Squares Optimization. Geotechnical Special Publication, 2003, 83–101, DOI: 10.1061/40709(257)6
• 13. Decree of the Minister of Transport and Maritime Economy of 2 March 1999 on technical conditions to be met by public roads and their location. Official Journal of the Republic of Poland (Dz. U.), 1999, No. 43, item 430 with later changes

Uwagi

An extended version of the article from the Conference ‟Modern Road Pavements – MRP’2023” – Recycling in road pavement structures co-edited by Martins Zaumanis and Marcin Gajewski, published in frame of the Ministry of Education and Science project No. RCN/SP/0569/2021/1.