A simplified test procedure for assessing the fatigue performance of asphalt mixes

Abstract

Straßen sind eine kritische Infrastruktur für die moderne Gesellschaft, und es ist wichtig, ihre Dauerhaftigkeit und Erhaltung zu gewährleisten. Österreichs Straßennetz umfasst rund 128.000 Kilometer, wobei ein Großteil des Straßennetzes nach dem Zweiten Weltkrieg wieder oder neu errichtet wurde. Die Finanzierung des Straßennetzes ist daher mit erheblichen Kosten für die Instandhaltung oder Erneuerung verbunden, und die Maximierung der Dauerhaftigkeit der Straße ist ein wesentlicher Planungsansatz moderner Fahrbahnbeläge. Die rezeptbasierten,empirischen Prüfverfahren für Asphaltmischungen zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit und der Dauerhaftigkeit von Asphaltfahrbahnen waren lange Zeit der Standardansatz für die Optimierung der Mischrezeptur. Mit der Einführung leistungs bezogener Prüfverfahren Mitte der 1990er Jahre,bei denen die Auswirkungen des Verkehrs und des Klimas auf das Ermüdungs-, Steifigkeits und Verformungsverhalten von Asphaltmischgut unter realistischen Prüfbedingungen simulier twerden, stehen neue Verfahren zur Beurteilung von Asphaltmischgut zur Verfügung.Mit dem nationalen Umsetzungsdokument ÖNORM B 3580-2 wurde in Österreich im Jahr 2007die leistungsbezogene Asphaltmischgutbeschreibung eingeführt. Derzeit sind in den europäischen Prüfnormen EN 12697-xx die leistungsbezogenen Prüfverfahren für Asphaltmischgut enthalten.Diese Methoden umfassen unter anderem die Bewertungen des Tieftemperaturverhaltens, der Steifigkeit, der Ermüdungsfestigkeit und des Widerstands gegen bleibende Verformung bei hohen Temperaturen. Experten sind der Ansicht, dass leistungsbasierte Tests besser geeignet sind, da sie unter realitätsnahen Laborbedingungen durchgeführt werden, dadurch erfordern sie aber auch deutlich mehr Zeit und Material als empirische Tests. Aus diesem Grund wird der leistungsbezogene Ansatz für die Optimierung von Asphaltmischgut in Österreich nur selten verwendet.Das Ziel dieser Arbeit ist es, die leistungsbezogenen Ermüdungsprüfungen von Asphaltmischgutebene auf ein vereinfachtes Prüfkonzept auf Asphaltmastixebene zu übertragen. Die Asphaltmastixebene wurde als Beurteilungsebene gewählt, da sie die wesentliche bindende Komponente in einem Asphaltmischgut ist. Ziel ist es, Korrelationen zwischen Ermüdungsprüfungen auf Asphaltmischgutebene und Asphaltmastixebene zu identifizieren und daraus ein vereinfachtes Prüfverfahren zur Bewertung des Ermüdungsverhaltens von Asphaltmischgut auf Asphaltmastixebene ableiten zu können, um die Materialauswahl für das Asphaltmischgut schnellbewerten und kontrollieren zu können. Dadurch sollen zusätzliche Ermüdungsprüfungen auf Asphaltmischgutebene weitgehend überflüssig werden.Die Dissertation gliedert sich in drei wesentliche Teile: die Untersuchung möglicher Ermüdungsprüfungen auf Asphaltmastixebene, die Korrelation der Ermüdungsperformance beider Ebenen und die Untersuchung der möglichen Einflüsse von Füllereigenschaften auf die Ermüdungsleistung der Asphaltmastix. Es wurden verschiedene Mischgüter auf Asphalt- und Mastixebene untersucht, und die Analysen der Ergebnisse zeigten, dass die dissipierte Energie pro Lastzyklus (DELC) in Kombination mit einem gängigem Ermüdungskriterium ein effizientes Prüfverfahren auf Asphaltmastixebene ist, um den Ermüdungswiderstand eines Asphaltmischguts zu bewerten.Ein Einfluss des Füllers auf die Ermüdungsperformance konnte beobachtet werden, jedoch Bedarfes eine größere Datenmenge, um diesen Einfluss bestätigen zu können.

Roads are a critical infrastructure for modern civilisation; hence, ensuring their durability and maintenance is essential. Austria’s road network comprises approximately 128,000 km, with its road system mainly constructed following World War II. Therefore, the road network fundingis linked to substantial maintenance or renewal costs and maximising the road durability is acritical component of modern pavements. In terms of evaluating the economic effectiveness and durability of flexible pavements, recipe-based empirical test methods for asphalt mixtures have long been the standard approach for mix design optimisation and quality control.New techniques for assessing asphalt mixtures have been made available with the introduction of performance-based test methods in the middle of the 1990s. These methods simulate the effects of field traffic and climate according to the fatigue, stiffness and deformation behaviour of asphalt mixtures under realistic test settings.The national implementation document, called ÖNORM B 3580-2, introduced the performance based asphalt mix design method in Austria in 2007. The European testing standards, EN 12697-xx, have incorporated performance-based test techniques for asphalt mixtures. These methods comprise evaluations of the low-temperature performance, stiffness, fatigue resistance and resistance to permanent deformation at high temperatures. Past research has shown that performance-based tests are appropriate because they are conducted in realistic laboratory settings, but require significantly longer testing times and more materials than empirical tests.Therefore, the performance-based approach for asphalt mix design has been rarely used inAustria.This thesis aims to transfer the performance-based fatigue tests of asphalt mixes to a simplified test concept on the asphalt mastic level. The asphalt mastic level is chosen as the assessment level because it is the main binding component in an asphalt mixture. The objective of thiswork is to identify the correlations between fatigue testing at the asphalt mix and asphalt mastic levels and apply a practical testing procedure at the asphalt mastic level to quickly assess and control the material selection for the asphalt mix, consequently making additional fatigue testson the asphalt mix level largely unnecessary.The thesis is divided into three essential parts to examine the possible fatigue tests on the asphalt mastic level, correlate the fatigue performance of both levels and investigate the potential influences of filler properties on the fatigue performance of asphalt mastic. Various asphalt- andmastic-level mixtures are investigated. The analysis results show that the dissipated energy per load cycle (DELC) in combination with an applicable fatigue failure criterion is a practical asphalt mastic-level testing procedure that assesses the fatigue performance of an asphalt mix.The influence of the filler on the fatigue performance is observed, but a more extensive set ofdata is needed to confirm this influence.