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Evaluation of Fatigue Resistance for Modified Asphalt Concrete Mixtures Based on Dissipated Energy Concept

Khodary Moalla Hamed, Farag :
Evaluation of Fatigue Resistance for Modified Asphalt Concrete Mixtures Based on Dissipated Energy Concept.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Evaluation of Fatigue Resistance for Modified Asphalt Concrete Mixtures Based on Dissipated Energy Concept
Language: English
Abstract:

The performance of asphalt concrete pavement depends on the bitumen properties, asphalt concrete mixtures volumetric properties and external factors such as traffic volume and environment. Bitumen is a visco-elastic material where temperature and rate of load application have a great influence on its behavior. Conventional bitumen is exposed to a wide range of loading and weather conditions; it is soft in a hot environment and brittle in cold weather. Higher traffic volume produces high stress within pavement layer, which is one of the main causes for pavement distress. Fatigue cracking and permanent deformation is considered as most serious distresses associated with flexible pavements. These distresses reduce the service life of the pavement and increase the maintenance cost. To reduce the pavement distresses there are different solutions such as adopting new mix design or by using asphalt additives. Using of asphalt additives in highway construction is known to give the conventional bitumen better engineering properties as well as it is helpful to extent the life span of asphalt concrete pavement. In this research an investigation was made on the fundamental studies of modified asphalt binder and mixtures in order to understand the influence of modifiers on the rheological properties and fatigue resistance with the aim of preventing fatigue cracking in asphalt pavement. The conventional bitumen (70/100) penetration grade was used in this research, modified with crumb rubber (CR) and styrene-butadiene-styrene (SBS) at four different modification levels namely 3%, 5%, 7% and 10% by weight of the bitumen. The rheological properties and fatigue resistance tests for asphalt binder were performed using a dynamic shear rheometer apparatus. Fatigue life for asphalt binder and mixtures were calculated based on the dissipated energy concept as well as a procedure for modifying of conventional bitumen was developed to find the suitable blending time and the optimum modifier content. From the results at low rubber content 3% and 5%, the behaviour of the modified bitumen remains close to that of the conventional bitumen and the optimum crumb rubber content for good rheological properties and long fatigue life was found to be 10% by the weight of bitumen. At higher (SBS) polymer content 7% and 10%, the behaviour of the modified binders remains close to that of the modified bitumen with 5% (SBS) and the optimum (SBS) content was found to be 5%. The fatigue behavior of modified bitumen was found to be significantly improved compared to conventional bitumen. Fatigue test using dynamic shear rheometer was found to be costly and time consuming. 3D finite element model for dynamic shear rheometer has been developed and was used for dissipated energy calculation. The experimental result and the model result showed excellent fit between dissipated energy for the same tested bitumen. On the other hand, a shift factor was found between the dissipated energy per volume from the bitumen specimen in dynamic shear rheometer and dissipated energy per volume for asphalt concrete mixtures in indirect tensile fatigue test.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Gebrauchsverhalten von Fahrbahnbefestigung aus Asphaltbeton wird von den Bitumeneingeschaften, den volumetrischen Eigenschaften des Asphaltmischguts und externen Einflüssen aus Verkehr und Umwelt. Bitumen ist ein viskoelastisches Material, dessen Verhalten stark beeinflusst wird von der Temperatur und die Frequenz der Lastaufbringung. Es ist einem großen Spektrum aus Belastung und Wetterbedingungen ausgesetzt. Bei hohen Temperaturen ist Bitumen weich und bei niedrigen Temperaturen spröde. Hohe Verkehrsbelastungen führen zu einer hohen Beanspruchung der Schichten der Fahrbahn, was einen der Hauptgründe für das Versagen von Straßenbefestigung darstellt. Ermüdungsrisse und bleibende Verformungen gelten als die am häufigsten eintretende Schäden flexibler Fahrbahnbefestigungen. In der Folge wird die Nutzungsdauer von Fahrbahnbefestigungen reduziert und die Erhaltungskosten steigen. Zur Reduzierung dieser Schäden existieren verschiedene Lösungsansätze wie die Anpassung der Asphaltmischgutzusammensetzung oder Verwendung von Additiven. Die Verwendung von Additiven im Asphaltstraßenbau ist bekannt sowohl zur Verbesserung der Eigenschaften von konventionellem Bitumen (Straßenbaubitumen) als auch zur Verlängerung der Nutzungsdauer der Fahrbahnbefestigung aus Asphaltbeton. In dieser Untersuchung wurde eine grundlegende Betrachtung von modifiziertem Bitumen und Asphaltmischgut durchgeführt, um den Einfluss der Modifizierung auf die rheologischen Eigenschaften und Ermüdungsresistenz zu analysieren und in der Folge Ermüdungsrissbildung in Asphaltbefestigungen vermeiden zu können. Es wurde Straßenbaubitumen 70/100 eingesetzt, das mit jeweils 3 %, 5 %, 7 % und 10 % (bezogen auf das Bitumengewicht) Gummi (aus Altreifen) und dem Polymer Styrol-Butadien-Styrol (SBS) modifiziert wurde. Die rheologischen Eigenschaften und die Ermüdungsresistenz der Bitumen wurden mit dem Dynamischen Scher-Rheometer bestimmt. Die Ermüdungsdauer des Bitumens und der Asphaltmischung wurde über die Theorie der dissipierten Energie berechnet und eine Vorgehensweise zur Bestimmung der optimalen Mischzeit und der optimalen Modifizierungsmenge für Straßenbaubitumen entwickelt. Die Ergebnisse der Bitumenuntersuchungen zeigen, dass die Eigenschaften des mit 3 % und 5 % Gummi modifizierten Bitumens vergleichbar zu den Eigenschaften des Straßenbaubitumens sind. Der optimale Gummianteil hinsichtlich der rheologischen Eigenschaften und der Ermüdungsdauer zeigte sich bei 10 %. Bei der Modifizierung des Bitumens mit 7 % und 10 % SBS waren die Eigenschaften vergleichbar zu den Eigenschaften des mit 5 % SBS modifizierten Bitumens, der optimale SBS-Gehalt wurde daher mit 5 % bestimmt. Das Ermüdungsverhalten der modifizierten Bitumen war gegenüber dem Straßenbaubitumen deutlich verbessert. Ermüdungsuntersuchungen mit dem Dynamischen Scher-Rheometer sind kostenintensiv und zeitaufwändig. Daher wurde ein 3D-Finite-Element-Modell für das Dynamische Scher-Rheometer entwickelt und zur Berechnung der Dissipierten Energie verwendet. Die Versuchsergebnisse und die mit dem Modell berechneten Werte zeigen eine gute Übereinstimmung für die einzelnen Bitumen. Weiterhin wurde ein Verschiebungsfaktor festgestellt zwischen der Dissipierten Energie pro Volumen der Bitumenproben, die mit dem DSR bestimmt wurden, und der Disspierten Energie pro Volumen der Asphaltbetonmischung, die mit dem Spaltzugversuch bestimmt wurde.German
Uncontrolled Keywords: Fatigue, Modified Bitumen, Asphalt Rheology, Dissipated energy Finite Element
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Fatigue, Modified Bitumen, Asphalt Rheology, Dissipated energy Finite ElementEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie > Institut für Verkehr
Date Deposited: 30 Mar 2010 08:37
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-21089
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Bald, Prof. Dr. J. Stefan and Vormwald, Prof. Dr. Michael
Refereed: 15 March 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2108
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