Characterisation of high modulus asphalt (EME) mixes, focussing on flexural response and fatigue
Date
2016-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The road construction industry is faced with the challenge of designing and constructing high performance asphalt materials to meet the ever growing demand of increasing traffic volumes and axle loadings. EME (Enrobés à Module Elevé) or simply high modulus asphalt was developed in France in the mid-seventies. EME asphalt provides a high performance material for the use in heavy duty pavements. EME asphalt has a very high resistance in terms of permanent deformation as well as a stiffness surpassing that of standard mixes used in base layers. EME mixes also have a good resistance to fatigue due to the high binder content of the mix.
Numerous studies have investigated the fatigue resistance of hot-mix asphalt (HMA) mixtures, with limited research into EME mixes on the basis of its material properties and structural responses. In this study, a Four Point Beam fatigue apparatus was used to measure the fatigue response of a certain EME mix at various strain values (50, 100, 175, 250 με) and temperatures (10 and 40˚C) under a pulse frequency of 10Hz. Both a haversine and sinusoidal loading profile was investigated in terms of the Four Point Beam Test (4PBT). In this regard, it was concluded that sinusoidal loading was the only viable loading option. At low temperatures and high strain values, haversine loading caused premature failure in a number of beam specimens. This conclusion was confirmed with the help of a numerical analysis, done in ABAQUS FAE, in order to investigate initial tensile stresses in the beam specimens with the application of both loading profiles.
Witczak, et al. (2013) indicated that during the sinusoidal test, the deflection pattern is sinusoidal, bending the beam specimen in both directions. The neutral axis of the beam stays unchanged during the test, as it remains in the original position halfway between the two extreme deflection positions. During the haversine test, the deflection pattern is haversine, bending the beam with the same peak-to-peak magnitude as the sinusoidal test but only in one direction. Because of the static force component in the load signal and the viscous character of the material, creep (permanent deformation) will occur in the beam, causing the neutral axis of the beam to shift downwards after a few loading cycles. After the shift of the neutral axis the original haversine loading pattern will become a sinusoidal loading pattern with respect to the new neutral axis. This phenomenon was confirmed through the applied loading outputs from the 4PBT.
Using the Four Point Beam apparatus, frequency-temperature sweeps were done at pulse frequencies of 0.5, 1, 2, 5 and 10 Hz with conditioning temperatures ranging from 10˚C to 40˚C at 5˚C intervals. The frequency and temperature sweeps were done to develop the stiffness Master Curves, in order to create a framework for predicting stiffness versus loading time relationship for the investigated EME asphaltic material.
In this study, principles regarding EME, findings on the flexural fatigue performance and discussions of data as well as recommendations and conclusions are made. The recommendations serves as a vital part of the research study as EME testing, in South Africa, has not yet been conducted on the scale in which it is covered during this study. The recommendations would thus be helpful with regards to future testing and research on the subject.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die pad konstruksiebedryf word gekonfronteer met die uitdaging om hoë werks verrigtende asfalt materiale, wat die steeds groeiende toename in verkeers volumes en as-laste kan hanteer, te onwerp en bou. EME (Enrobés à Module Elevé) of bloot hoëmodulus asfalt is in die middel sewentigerjare in Frankryk ontwikkel. EME asfalt bied 'n hoë verrigtende materiaal vir die gebruik in swaar belaste paaie. EME asfalt het ‘n baie hoë weerstand in terme van permanente vervorming asook ‘n styfheid wat dié van standard mengsels, wat in basislae gebruik word, oortref. EME mengsels bied 'n goeie weerstand teen vermoeiing as gevolg van die hoë bindstof inhoud wat in hierdie mengsels gevind word. Verskeie studies is al ingestel om die weerstand teen vermoeing, van warm-mengsel asfalt (HMA), te ondersoek. Slegs ‘n beperkte hoeveelheid navorsing, in terme van EME op grond van sy materiaal eienskappe en strukturele reaksie, is al gedoen. In hierdie studie is ‘n Vier Punt Buig apparaat gebruik om die vermoeing van ‘n gegewe EME mengsel, by verskeie spannings (50, 100, 175, 250 με) en temperatuur waardes (10 en 40°C) onder ‘n pols frekwensie van 10 Hz, te ondersoek. Beide ‘n haversine en sinusvormige laai profiel is ondersoek, in terme van die Vier Punt Buig Toets (4PBT). In hierdie verband is daar tot die gevolgtrekking gekom dat die sinusvormige laai profiel die enigste haalbare opsie is. By die lae temperature en hoë spanning waardes het die haversine laai profiel voortydige faling in ‘n aantal van die balk monsters veroorsaak. Hierdie gevolgtrekking is bevestig met die hulp van ‘n numeries analise, wat in ABAQUS FAE gedoen is, ten einde die aanvanklike trek spanning in die balk monsters met die toepassing van beide laai profiele te ondersoek. Witczak, et al. (2013) het aangedui dat tydens die sinusvormige toets, die defleksie patroon sinusvormig is, die balk word dus in buide rigtings gebuig. Die neutral as van die balk bly onveranderd, halfpad tussen die twee uiterste defleksie posisies. Gedurende die haversine toets, is die defleksie patroon haversine, die balk buig dus met dieselfde piek-tot-piek grootte as die sinusvormige toets maar slegs in een rigting. As gevolg van die statiese krag komponent in die las sein en die viskeuse karakter van die materiaal, vind kruip (permanente vervorming) plaas in die balk. Hierdie veroorsaak dan dat die neutrale as van die balk, na afloop van 'n paar laai siklusse, afwaarts skuif. Na aanloop van die verskuiwing van die neutrale as, verander die oorspronklike haversine laai patroon na 'n sinusvormige laai patroon, ten opsigte van die nuwe neutrale as. Hierdie verskynsel is bevestig deur gebruik te maak van die toepassing laai uitsette van die 4PBT. Deur gebruik te maak van die Vier Punt Buig apparaat, is ferkwensie-temperatuur “sweeps” gedoen by pols frekwensies van 0.5, 1, 2, 5 en 10 Hz met kondisionerings temperature wat wissel van 10°C tot 40°C op 5˚C intervalle. Die frekwensie en temperatuur “sweeps” is gedoen om die styfheid Meester Kurwes te ontwikkel, ten einde 'n raamwerk vir die voorspelling van styfheid teen laai tyd verhouding, vir die EME asfalt materiaal te ontwikkel. In hierdie studie word, beginsels rakende EME, bevindings oor die buig vermoeing eienskappe en besprekings van data asook aanbevelings en gevolgtrekkings gemaak. Die aanbevelings dien as 'n belangrike deel van die navorsingstudie, aangesien toetse op EME, nog nie in Suid-Afrika op die skaal gedoen is waarop dit in hierdie studie gedoen is nie. Die aanbevelings sal dus nuttig wees met betrekking tot toekomstige toetse en navorsing wat oor die onderwerp handel.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die pad konstruksiebedryf word gekonfronteer met die uitdaging om hoë werks verrigtende asfalt materiale, wat die steeds groeiende toename in verkeers volumes en as-laste kan hanteer, te onwerp en bou. EME (Enrobés à Module Elevé) of bloot hoëmodulus asfalt is in die middel sewentigerjare in Frankryk ontwikkel. EME asfalt bied 'n hoë verrigtende materiaal vir die gebruik in swaar belaste paaie. EME asfalt het ‘n baie hoë weerstand in terme van permanente vervorming asook ‘n styfheid wat dié van standard mengsels, wat in basislae gebruik word, oortref. EME mengsels bied 'n goeie weerstand teen vermoeiing as gevolg van die hoë bindstof inhoud wat in hierdie mengsels gevind word. Verskeie studies is al ingestel om die weerstand teen vermoeing, van warm-mengsel asfalt (HMA), te ondersoek. Slegs ‘n beperkte hoeveelheid navorsing, in terme van EME op grond van sy materiaal eienskappe en strukturele reaksie, is al gedoen. In hierdie studie is ‘n Vier Punt Buig apparaat gebruik om die vermoeing van ‘n gegewe EME mengsel, by verskeie spannings (50, 100, 175, 250 με) en temperatuur waardes (10 en 40°C) onder ‘n pols frekwensie van 10 Hz, te ondersoek. Beide ‘n haversine en sinusvormige laai profiel is ondersoek, in terme van die Vier Punt Buig Toets (4PBT). In hierdie verband is daar tot die gevolgtrekking gekom dat die sinusvormige laai profiel die enigste haalbare opsie is. By die lae temperature en hoë spanning waardes het die haversine laai profiel voortydige faling in ‘n aantal van die balk monsters veroorsaak. Hierdie gevolgtrekking is bevestig met die hulp van ‘n numeries analise, wat in ABAQUS FAE gedoen is, ten einde die aanvanklike trek spanning in die balk monsters met die toepassing van beide laai profiele te ondersoek. Witczak, et al. (2013) het aangedui dat tydens die sinusvormige toets, die defleksie patroon sinusvormig is, die balk word dus in buide rigtings gebuig. Die neutral as van die balk bly onveranderd, halfpad tussen die twee uiterste defleksie posisies. Gedurende die haversine toets, is die defleksie patroon haversine, die balk buig dus met dieselfde piek-tot-piek grootte as die sinusvormige toets maar slegs in een rigting. As gevolg van die statiese krag komponent in die las sein en die viskeuse karakter van die materiaal, vind kruip (permanente vervorming) plaas in die balk. Hierdie veroorsaak dan dat die neutrale as van die balk, na afloop van 'n paar laai siklusse, afwaarts skuif. Na aanloop van die verskuiwing van die neutrale as, verander die oorspronklike haversine laai patroon na 'n sinusvormige laai patroon, ten opsigte van die nuwe neutrale as. Hierdie verskynsel is bevestig deur gebruik te maak van die toepassing laai uitsette van die 4PBT. Deur gebruik te maak van die Vier Punt Buig apparaat, is ferkwensie-temperatuur “sweeps” gedoen by pols frekwensies van 0.5, 1, 2, 5 en 10 Hz met kondisionerings temperature wat wissel van 10°C tot 40°C op 5˚C intervalle. Die frekwensie en temperatuur “sweeps” is gedoen om die styfheid Meester Kurwes te ontwikkel, ten einde 'n raamwerk vir die voorspelling van styfheid teen laai tyd verhouding, vir die EME asfalt materiaal te ontwikkel. In hierdie studie word, beginsels rakende EME, bevindings oor die buig vermoeing eienskappe en besprekings van data asook aanbevelings en gevolgtrekkings gemaak. Die aanbevelings dien as 'n belangrike deel van die navorsingstudie, aangesien toetse op EME, nog nie in Suid-Afrika op die skaal gedoen is waarop dit in hierdie studie gedoen is nie. Die aanbevelings sal dus nuttig wees met betrekking tot toekomstige toetse en navorsing wat oor die onderwerp handel.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2016.
Keywords
Concrete -- Fatigue, Pavements, Asphalt concrete, Pavements, Asphalt -- Cracking, High Modulus Asphalt, UCTD