Performance testing of enrobés à module elevé asphalt
Date
2018-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Enrobés à Module Elevé (EME), is a French based technology developed during the 1980’s and utilises a low penetration bitumen at high binder contents to produce a very stiff asphalt, which has superior load spreading abilities, resistance to permanent deformation and fatigue life without the addition of any modifiers. Due to South Africa having different design parameters than France, the need exists to determine our own set of parameters which is applicable to the South African road environment.
This research study emanated from the “special” maintenance of the truck crawler lane on the National Route 1 (N1) Section 1 by Royal Haskoning DHV (Pty) Ltd as awarded to by SANRAL in October 2014 where EME was used as the base layer. The road section was constructed in accordance to the Sabita Manual 33 released at the time. Following the construction of the EME base, specimens were extracted from the road. In this research study, the four-point bending and indirect tensile tests was utilised to investigate the stiffness and fatigue properties.
Additionally, this research study focuses on the comparison of previous work done by Botes (2016) and Clarke (2016) on beam and briquette specimens produced in the laboratory to form a correlation between laboratory and field specimens. The results were analysed to evaluate if both specimen types exhibit similar behaviour for the fatigue and stiffness properties to aid in the specification of a laboratory based fatigue criterion.
For the stiffness tests completed on the beam and briquette specimens, master curves were constructed using both the Arrhenius equation and Christensen Anderson (CA) model. It was concluded that the CA model using free shifting principles provided a better representation of the stiffness results over the spectrum of temperatures and frequencies tested. This provides a mathematical model based can be used to replicate the results in the analysis of EME.
Based on the analysis of the literature study, it was identified that the specification for a failure criterion of a 50% reduction in initial flexural stiffness does not capture the damage development in the specimen for a specific strain applied. Subhy et al. (2017) proposed the analysis of the dissipated energy using the ratio of dissipated energy change to estimate a plateau value describing a steady state of damage accumulation in a specimen for a specific strain. The research study analysed the beam data using this method, which delivered promising results as it was reported that this parameter is linked to fatigue properties and a specimen’s ability to dissipate energy. In addition to the 50% initial stiffness reduction, this method can function as an additional parameter for the satisfaction of performance requirements as a relationship was found between the plateau value and load cycles to failure.
In this study, the finding regarding EME extracted from the road and valuable results obtained from previous research are compared and assessed. In addition, the research study supplies conclusions regarding the current test procedures for the assessment of EME specimens, along with recommendation to adjustment of future test methods and research, which is applicable to the South African road environment.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Enrobés à Module Elevé (EME) is 'n Franse gebaseerde tegnologie wat gedurende die 1980's ontwikkel is en gebruik 'n lae penetrasie bitumen by hoë bindmiddelinhoud om 'n baie stywe asfalt te produseer. Dit het uitstekende lasverspreidingsvermoë, weerstand teen permanente vervorming en vermoeiingslewe sonder die byvoeging van enige wysigers. As gevolg van Suid-Afrika se verskillende ontwerpparameters in vergelyking met Frankryk, bestaan die behoefte om ons eie stel parameters te bepaal wat van toepassing is op die Suid-Afrikaanse padomgewing. Hierdie navorsingsstudie het ontstaan uit die "spesiale" instandhouding van die vragmotor kruiproete op die Nasionale Roete 1 (N1) Afdeling 1 deur Royal Haskoning DHV (Edms) Bpk soos toegeken aan SANRAL in Oktober 2014, waar EME as kroonlaag gebruik is. Konstruksie is volgens die SABITA Handleiding 33 gedoen wat destyds uitgereik is. Na aanleiding van die konstruksie van die EME-kroonlaag is monsters van die pad verkry. In hierdie navorsingstudie is die vierpunt buig- en indirekte trektoetse gebruik om die styfheid en vermoeiingseienskappe te ondersoek. Daarbenewens fokus hierdie navorsingsstudie op die vergelyking van vorige werk wat Botes (2016) en Clarke (2016) gedoen het op balk- en briketmonsters wat in die laboratorium vervaardig is om 'n verband tussen laboratorium- en veldmonsters te vorm. Die resultate is ontleed om te evalueer of beide tipes soortgelyke gedrag toon vir die vermoeiing en styfheidseienskappe om te help met die opstel van 'n laboratorium gebaseerde prestasievereistes. Vir die styfheidstoetse wat op die balk en briketmonsters uitgevoer is, is meesterkurwes opgestel met behulp van beide die Arrhenius-vergelyking en die Christensen Anderson (CA) model. Daar is bevind dat die CA-model met behulp van vryskuiwe-beginsels 'n beter voorstelling van die styfheidsresultate gegee het oor die spektrum van temperature en frekwensies wat getoets is. Dit bied 'n wiskundige model wat gebruik kan word om die resultate in die ontleding van EME te herhaal. Op grond van die analise van die literatuurstudie is geïdentifiseer dat die falingskriterium wat bestaan uit 'n 50% vermindering in aanvanklike buigstyfheid nie die skadeontwikkeling in die monster vasstel vir 'n spesifieke spanning wat toegepas word nie. Subhy et al. (2017) het die ontleding van verkwisde energie voorgestel deur die verhouding van verkwiste energieverandering te gebruik om 'n plato waarde te bepaal wat 'n bestendige toestand van skade-akkumulasie in 'n monster vir 'n spesifieke trekspanning beskryf. Die navorsingsstudie het die balkdata geanaliseer met behulp van hierdie metode, wat belowende resultate opgelewer het, aangesien dit gespekuleer is dat hierdie parameter gekoppel is aan vermoeiingseienskappe en die vermoë van 'n monster om energie te verkwis. Benewens die 50% aanvanklike buigstyfheidvermindering, kan hierdie metode funksioneer as 'n bykomende parameter vir die bevrediging van prestasievereistes aangesien daar ‘n verhouding gevind was tussen die plataue waarde en die hoeveelheid lasherhalings tot faling. In hierdie studie word die bevinding aangaande EME wat onttrek is van die pad en die waardevolle resultate verkry uit vorige navorsing vergelyk en beoordeel. Daarbenewens verskaf die navorsingsstudie gevolgtrekkings rakende die huidige toetsprosedures vir die assessering van EME, asook aanbevelings vir die aanpassing van toekomstige toetsmetodes en -navorsing, wat van toepassing is op die Suid-Afrikaanse padomgewing.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Enrobés à Module Elevé (EME) is 'n Franse gebaseerde tegnologie wat gedurende die 1980's ontwikkel is en gebruik 'n lae penetrasie bitumen by hoë bindmiddelinhoud om 'n baie stywe asfalt te produseer. Dit het uitstekende lasverspreidingsvermoë, weerstand teen permanente vervorming en vermoeiingslewe sonder die byvoeging van enige wysigers. As gevolg van Suid-Afrika se verskillende ontwerpparameters in vergelyking met Frankryk, bestaan die behoefte om ons eie stel parameters te bepaal wat van toepassing is op die Suid-Afrikaanse padomgewing. Hierdie navorsingsstudie het ontstaan uit die "spesiale" instandhouding van die vragmotor kruiproete op die Nasionale Roete 1 (N1) Afdeling 1 deur Royal Haskoning DHV (Edms) Bpk soos toegeken aan SANRAL in Oktober 2014, waar EME as kroonlaag gebruik is. Konstruksie is volgens die SABITA Handleiding 33 gedoen wat destyds uitgereik is. Na aanleiding van die konstruksie van die EME-kroonlaag is monsters van die pad verkry. In hierdie navorsingstudie is die vierpunt buig- en indirekte trektoetse gebruik om die styfheid en vermoeiingseienskappe te ondersoek. Daarbenewens fokus hierdie navorsingsstudie op die vergelyking van vorige werk wat Botes (2016) en Clarke (2016) gedoen het op balk- en briketmonsters wat in die laboratorium vervaardig is om 'n verband tussen laboratorium- en veldmonsters te vorm. Die resultate is ontleed om te evalueer of beide tipes soortgelyke gedrag toon vir die vermoeiing en styfheidseienskappe om te help met die opstel van 'n laboratorium gebaseerde prestasievereistes. Vir die styfheidstoetse wat op die balk en briketmonsters uitgevoer is, is meesterkurwes opgestel met behulp van beide die Arrhenius-vergelyking en die Christensen Anderson (CA) model. Daar is bevind dat die CA-model met behulp van vryskuiwe-beginsels 'n beter voorstelling van die styfheidsresultate gegee het oor die spektrum van temperature en frekwensies wat getoets is. Dit bied 'n wiskundige model wat gebruik kan word om die resultate in die ontleding van EME te herhaal. Op grond van die analise van die literatuurstudie is geïdentifiseer dat die falingskriterium wat bestaan uit 'n 50% vermindering in aanvanklike buigstyfheid nie die skadeontwikkeling in die monster vasstel vir 'n spesifieke spanning wat toegepas word nie. Subhy et al. (2017) het die ontleding van verkwisde energie voorgestel deur die verhouding van verkwiste energieverandering te gebruik om 'n plato waarde te bepaal wat 'n bestendige toestand van skade-akkumulasie in 'n monster vir 'n spesifieke trekspanning beskryf. Die navorsingsstudie het die balkdata geanaliseer met behulp van hierdie metode, wat belowende resultate opgelewer het, aangesien dit gespekuleer is dat hierdie parameter gekoppel is aan vermoeiingseienskappe en die vermoë van 'n monster om energie te verkwis. Benewens die 50% aanvanklike buigstyfheidvermindering, kan hierdie metode funksioneer as 'n bykomende parameter vir die bevrediging van prestasievereistes aangesien daar ‘n verhouding gevind was tussen die plataue waarde en die hoeveelheid lasherhalings tot faling. In hierdie studie word die bevinding aangaande EME wat onttrek is van die pad en die waardevolle resultate verkry uit vorige navorsing vergelyk en beoordeel. Daarbenewens verskaf die navorsingsstudie gevolgtrekkings rakende die huidige toetsprosedures vir die assessering van EME, asook aanbevelings vir die aanpassing van toekomstige toetsmetodes en -navorsing, wat van toepassing is op die Suid-Afrikaanse padomgewing.
Description
Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2018.
Keywords
Enrobé à Module Elevé, Asphaltene, Bituminous materials -- Fatigue, Road binders, UCTD, Enrobés à Module Elevé