Prognosis of fatigue characteristics of asphalt by uniaxial swelling tensile tests

Der Ermüdungswiderstand beeinflusst die Dauerhaftigkeit einer Asphaltbefestigung maßgebend. Der einaxiale Zug-Schwellversuch simuliert die kombinierte Beanspruchung aus kryogener Spannung infolge thermisch behinderten Schrumpfes sowie aus Biegebeanspruchung infolge Verkehrs. Diese schwellende Zugspannung bewirkt neben der Vergrößerung der viskoelastischen Dehnung auch progressiv zunehmende viskoplastische Verformung. In der Literatur wird dazu angemahnt, dass der herkömmlich zur Auswertung herangezogene Ermüdungseffekt, die Verringerung des Elastizitätsmoduls, durch den Aufbau großer Dehnungen verfälscht wird. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die im einaxialen Zug-Schwellversuch gemessene viskoplastische Dehnung ebenso aus der Materialermüdung resultiert wie das herkömmliche Auswertungskriterium Steifigkeits-Abnahme. Unter Anwendung des Burgers-Modells kann der Verlauf der viskoplastischen Dehnung berechnet werden, indem die ermüdungsbedingte Materialschädigung, abgeleitet aus dem Verlauf der viskoelastischen Dehnung, berücksichtigt wird. Aus Zug-Schwellversuchen unter Variation der Temperatur, der Belastungsfrequenz und der Beanspruchung werden Ermüdungsfunktionen abgeleitet, mit denen die Ermüdungsresistenz prognostiziert werden kann. Es wird gezeigt, dass die Schädigung infolge Ermüdung unabhängig von der zwischen 3 Hz und 10 Hz variierten Prüffrequenz ist, wenn ihr Verlauf über die Zeit dargestellt wird. So weisen neben den Ermüdungsfunktionen sowohl die bei gleicher Temperatur und Beanspruchung gemessene viskoplastische Dehnung als auch die Steifigkeit von der Frequenz im untersuchten Bereich unabhängige Verläufe auf. Durch die Einführung der Belastungsfrequenz in die Ermüdungsfunktionen kann der für die Dimensionierung notwendige Prüfaufwand mit einer nur geringen Einbuße an Präzision erheblich reduziert werden.The resistance against fatigue controls the service life of asphalt pavements. Besides the traffic-induced bending stress, so-called cryogenic tensile stress occurs at low and decreasing temperatures due to prohibited thermal shrinkage. The combination of both is simulated in laboratory by the uniaxial swelling tensile test. In this test, the asphalt specimen is subjected to a sinusoidal load, which is superposed by a constant tension stress. The asphalt’s reaction on this permanent tension stress is the development of visco-plastic strain which eclipses the visco-elastic strain signal. The values of the visco-elastic strain signal are less then a tenth of the accumulating visco-plastic strain. In the international literature it is stated, that the fatigue effects can be hidden behind the substantial irreversible deformation. In this thesis it is shown that the courses of both strain signals can be interpreted as reaction to the same deterioration of the specimen by growth of fatigue cracks by using rheological model calculation. Thus the swelling tensile test is capable for the evaluation of the fatigue characteristics of asphalt material in laboratory. For the use in design and prognosis tools, fatigue functions are elaborated from the results of uniaxial swelling tests with variation of temperature, frequency and stress level. Besides the crack initiation and propagation, the course of stiffness can be used for the characterisation of the fatigue resistance. Further the results gained at varied frequencies (3, 5 and 10Hz) showed, that the testing time controls the fatigue deterioration primarily. If the testing time is used as basis of evaluation, the numbers of endured load cycles as well as the courses of stiffness reduction and visco-plastic strain are indifferent of the frequency. By integrating the frequency inside the equation of the fatigue-function, the test effort can be reduced considerably

The DIRECT-MAT Web Database–A Source of Knowledge in Road Recycling

AbstractThis paper describes the DIRECT-MAT web database which gathers European knowledge and practices about the demolition and road-recycling or safe disposal of old road materials. This database has been developed within a three-year coordination and support action under the EC 7th Framework program “Sustainable Surface Transport” for the purpose of supporting the daily work of practitioners, researchers and standardization bodies working in the field of road infrastructures.The database addresses unbound, hydraulically bound and asphalt road materials. It also addresses other materials related to road use but not commonly recycled into road construction. These include tire shreds, sediment from ditches, road reinforcement materials and industrial by-products as long as they come from the demolition of a road into which they were recycled a first time. The database provides on-line access to Best Practice Guides, practical application case studies and international literature reviews elaborated from the review of national documents.There are three different ways for searching the database: 1) Via specific documents – Literature reviews, Case study reports and Best Practice Guides – for each material type; 2) Via quick or advanced search for specific terms; 3) Via a map where case studies are geo-tagged.The DIRECT-MAT database has been developed by some fifty experts from fifteen European countries. This means that national documents, working sites data and research results have now become easily available to road authorities, CEN technical committees and researchers from other countries. This share of national knowledge and practices is expected to boost recycling, thus DIRECT-MAT will contribute to reducing waste disposal associated with roads. Furthermore, the DIRECT-MAT web database is expected to serve as a reference tool for recording and sharing working site data on the demolition and recycling of road materials throughout Europe

Die neue Kartieranleitung zur Erfassung aktueller Wassererosionsformen

Das DVWK-Merkblatt 239 „Bodenerosion durch Wasser – Kartieranleitung zur Erfassung aktueller Erosionsformen“ bietet seit 1996 den Standard für die Erosionskartierung für angewandte und wissenschaftliche Fragestellungen. Diese Kartieranleitung ermöglicht die Einschätzung von Erosionsursachen, -auswirkungen und -schäden und wird in der Wasserwirtschaft, dem Bodenschutz und in der Landwirtschaft angewendet. Allerdings haben sich Erfordernisse und Nutzungsmöglichkeiten inzwischen verändert. So müssen beispielsweise für die digitale Umsetzung der Symbole und Parameter in der Datenverarbeitung eindeutige Schlüssel gefunden werden. Neue technische Werkzeuge bei der Aufnahme der Geländeparameter - wie der Einsatz von Koptern und Airborne Laser Scanning (ALS) - sind zu berücksichtigen. Darüber hinaus gelten inzwischen neue rechtliche Regelungen, welche die Bedeutung der Erosionskartierung hervorheben. Eine Arbeitsgruppe der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall und des Bundesverbands Boden befasst sich mit der Aktualisierung der Kartieranleitung und stellt den Entwurf der Neufassung vor

Potentials for application of cold bituminous bound mixtures in Germany

Die Produktion von Heißasphalt im Asphaltmischwerk hat einen großen Anteil an den in Ökobilanzen erfassten Umweltindikatoren, z.B. der CO2-Emissionen. Ein Großteil des bei der Asphaltproduktion erforderlichen Energieverbrauchs wird zur Trocknung und Erwärmung der Gesteinskörnungen aufgebracht. Vermehrt wird daher international bitumenhaltiges Mischgut bei Umgebungstemperaturen hergestellt und eingebaut. Als Bindemittel kommen dabei Bitumenemulsion oder Schaumbitumen zur Anwendung. Das Baustoffverhalten des Kaltmischgutes unterscheidet sich in verschiedenen Aspekten vom mechanischen Verhalten von Heißasphalt. Dies betrifft alle Phasen der fertiggestellten Schicht " Mischgutherstellung, Lagerung und Transport, Einbau, Verdichtung sowie Kurz- und Langzeitverhalten. Um das bautechnische Potenzial der bitumengebundenen Kaltbauweisen für die Anwendung in Deutschland abzuschätzen wurden internationale Anwendungen und Erfahrungen mit der Bauweise zusammengestellt und vergleichend bewertet. Dabei können anhand der eingesetzten Bindemittelgehalte vier bitumenhaltige, kalt verarbeitete Mischgutarten unterschieden werden: Kaltasphalt, Grave Emulsion, Bitumen-Stabilisiertes Mischgut und Bitumen-Zement-Stabilisiertes Mischgut. Insbesondere bei den letzten drei Mischgutsorten unterscheidet sich das mechanische Baustoffverhalten stark von jenem von Heißasphalt. Daher sind vom bisherigen Standard abweichende Dimensionierungs- und Bauverfahren erforderlich. Um die Kaltbauweisen in Deutschland zu erproben, sind weitere Forschungsaktivitäten hinsichtlich des mechanischen Verhaltens der Kaltbaustoffe erforderlich. Die praktische Umsetzung international erprobter Bauweisen kann parallel in Untersuchungsstrecken erfolgen, welche durch Lebenszyklus-Studien begleitet werden sollten, um ökologische und ökonomische Vorteile der Bauweisen belegen zu können.The production process of hot-mix asphalt and here especially the energy demand for drying and heating of the aggregates, inhibits the main proportion of the overall life-cycle associated impacs (e.g. emissions of greenhouse gases) in the production of flexible pavements. Therefore, alternative technologies for paving are required in long-term. Internationally, feasible experiences were gained with cold bituminous mixtures on basis of bituminous emulsion and foamed bitumen. However the resulting mixtures inhibit considerable differences to hot-mix asphalt and therefore demand for specific procedures for mix design and pavement design. In order to estimate the applicability of these materials in Germany, the international literature as well as several national specification documents were assessed and compared. Regarding the applied binder and binder contents different type of cold bituminous mixtures can be distinguished: Cold asphalt, Grave emulsion, bitumen stabilized materials, bitumen-cement-stabilized materials and cold mixtures for sealing hazardous reclaimed pavement material. The mechanical property of these materials differ considerable from the properties of hot-mix asphalt. The presence of water during mixing, laying and compaction results in high void content and a long-lasting curing process of several months within the material gains strength and stiffness. The internationally applied mix design procedures are based on mechanical tests of strength and stiffness as well as water sensibility which demands for suitable laboratory compaction and curing procedures. However, the practical applicability in various climatic regions throughout Europe indicates the general applicability of these materials in Germany

FTIR spectroscopy analysis assessment of reclaimed asphalt at asphalt mixing plants to optimize the recycling

Reclaimed asphalt pavements (RA) usually are fully recyclable in new asphalt mixtures. The properties of the individually aged and possibly modified bitumen in the RA will affect the mix design of the new asphalt mixture. Furthermore, the RA may contain hazardous PAH-contamination resulting from coal tar, which was applied in German road pavements up to the 1980′s. For identifying substances that impair or influence reusability of the RA the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) method was modified. Within a total measuring time of approx. 20 min, the binder contained in a sample of granulated road construction material can be recovered by means of a rapid extraction and measured by FTIR-ATR. By evaluating the measured absorption spectra, samples which have to be considered as PAH-contaminated (with PAH contents ≥ 25 mg/kg) could be distinguished from non-contaminated reclaimed asphalt. Furthermore, the presence of styrene-butadiene-styrene (SBS) modification as well as viscosity-changing organic additives could be identified

Current Research and Challenges in Bitumen Emulsion Manufacturing and Its Properties

The global increase of road infrastructure and its impact on the environment requires serious attention to develop sustainable and environmentally friendly road materials. One group of those materials is produced by using bitumen emulsion. However, there are still scientific and technical obstacles standing against its regular application. The bitumen emulsion formulation process and compositional optimization are subjected to a high number of degrees of freedom. Consequently, obtaining the desired product is mostly based on a series of random and tedious trials because of the enormous number of tests that are carried out to meet the required properties, such as emulsion stability, viscosity, droplet size (and distribution), and bitumen emulsion chemistry. Several pre-established formulation procedures have been presented in the literature. Some of them have technical limitations to be utilized for practical industrial application, whereas others are still not understood enough to be applied in bitumen emulsion formulation. Therefore, discussing some important issues in this field could be useful to offer a practical guide for bitumen emulsion manufacturers when trying to formulate a well-defined bitumen emulsion to best fit its use in pavement infrastructure rather than to simply to meet standard specifications. This review paper aims to enable the ultimate potential of bitumen emulsion by further reviewing the research progress of bitumen emulsion manufacturing and discussing the literature available up to now on this topic, in the realm of bitumen emulsion manufacturing and emulsion chemistry

Use of multivariate clustering analysis to investigate the physicochemical interactions in bitumen mastics using micromechanical modeling and FTIR spectroscopy

Gefördert im Rahmen des Projekts DEA

Current Research and Challenges in Bitumen Emulsion Manufacturing and Its Properties

Gefördert durch den Publikationsfonds der Universität Kasse

A Study on the Influence of the Chemical Nature of Fillers on Rheological and Fatigue Behavior of Bitumen Emulsion Mastic

Gefördert durch den Publikationsfonds der Universität Kasse