COST Action TU1208 – Working Group 2 – GPR surveying of pavements, bridges, tunnels and buildings; underground utility and void sensing

This work aims at presenting the main results achieved by Working Group (WG) 2 "GPR surveying of pavements, bridges, tunnels and buildings; underground utility and void sensing" of the COST (European COoperation in Science and Technology) Action TU1208 "Civil Engineering Applications of Ground Penetrating Radar" (www.GPRadar.eu, www.cost.eu). The principal goal of the Action, started in April 2013 and ending in October 2017, is to exchange and increase scientific-technical knowledge and experience of Ground Penetrating Radar (GPR) techniques in civil engineering, whilst promoting throughout Europe the effective use of this safe non-destructive technique. The Action involves more than 300 Members from 28 COST Countries, a Cooperating State, 6 Near Neighbour Countries and 6 International Partner Countries

A Sustainability Perspective for Unbound Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) as a Pavement Base Material

The present study aims to investigate reclaimed asphalt pavement (RAP) materials for utilization for a pavement base layer material with the goal towards increasing the reutilization of materials and the movement towards increased pavement sustainability. Reduced cost for materials and transportation of materials, overall environmental benefits and many other advantages have led to increased interests in utilizing RAP in pavements including as base materials for highway/roadway construction projects. The potential advantages of utilizing RAP as an unbound base material are known; however, its overall application is still limited partially due to the lack of systematic evaluation studies for the parameterization of RAPs mechanical behavior in pavement design. With this in mind, the current investigation focuses on the resilient modulus (Mr) properties of RAP aggregates in terms of a material’s elastic response. Experimental data from tri-axial stress tests on specimens consisting of RAP, aggregates and a mixture of both materials are investigated. A number of constitutive models for the description of mechanical behavior of RAP materials are investigated. The required procedures for determining the constitutive constants of the constitutive models is outlined for the aforementioned materials. A comparative analysis is applied, and the related results are evaluated. The main conclusion is that RAP materials can be utilized as a base material in the framework of pavement sustainability, as its behavior under loading conditions are similar to virgin aggregate (VA) materials and can be simulated by using appropriate constitutive models for pavement design processes

Field Investigation of Factors Affecting Skid Resistance Variations in Asphalt Pavements

Pavement management activities consist mainly of three sequential yet interconnected processes: condition assessment, performance prediction and needs analysis. On this basis, knowledge of the evolution of skid resistance over time is important for pavement maintenance/rehabilitation planning. Seasonal and long term variations have a significant effect on skid resistance evolution. In the present study this effect is thoroughly investigated by modelling field data to provide a structure for the evolution of skid resistance in asphalt pavements. The considered field data includes the results of skid resistance measurements that were performed along 29 highways pavement sections of similar asphalt mix properties, with a fixed slip system (Grip Tester), over a period of four years and during different seasons. The developed model addresses that skid resistance is strongly related to the past level of surface friction, traffic, temperature and precipitation. The model was verified with a high degree of statistical certainty ensuring that mistakes have not been made in implementing the model. Furthermore, it was validated as its predictions have matched additional experimental data, with high precision (95% confidence level). This result produces evidence in support of the statement that the developed model provides accurate information about the variations of skid resistance in asphalt pavements

Contribution to the evaluation of roughness in the framework of pavement serviceability

Στην παρούσα διατριβή διερευνάται η αξιολόγηση της κατά μήκος ομαλότητας της επιφάνειας ευκάμπτων οδοστρωμάτων, στο πλαίσιο της επιτελεστικότητάς τους, υπό το πρίσμα της σύγχρονης αντίληψης για την «προστασία» των οδοστρωμάτων, σύμφωνα με την οποία, η έννοια συγκεκριμένης διάρκειας ζωής οδοστρώματος ουσιαστικά δεν υφίσταται. Τα οδοστρώματα συνεχίζουν να λειτουργούν ως αναπόσπαστο μέρος του συγκοινωνιακού ιστού, ως οδοστρώματα μεγάλης διάρκειας (Long Life Pavements: LLP) και επομένως πρέπει, όχι μόνο να συντηρούνται, αλλά και μέσω κατάλληλων διαδικασιών πρόληψης να προστατεύονται, έτσι ώστε να διατηρείται η επιτελεστικότητά τους και πέραν του αρχικού χρόνου σχεδιασμού τους. Η επιτελεστικότητά των οδοστρωμάτων εκφράζεται ως η σύνδεση δύο βασικών απαιτήσεων: της διατήρησης, σε βάθος χρόνου, μίας επαρκούς φέρουσας ικανότητας και της εξασφάλισης ενός επιθυμητού επιπέδου λειτουργικής κατάστασης της επιφάνειας των οδοστρωμάτων, τόσο σε επίπεδο έργου, όσο και σε επίπεδο δικτύου. Η ομαλότητα -η οποία ορίζεται ως οι αποκλίσεις της επιφάνειας ενός οδοστρώματος από τη θεωρητικά επίπεδη επιφάνεια- αποτελεί ένα καθοριστικό στοιχείο σύνθεσης της επιτελεστικότητάς των οδοστρωμάτων, καθώς συνδέεται με τα επιφανειακά-λειτουργικά χαρακτηριστικά ή με τα δομικά χαρακτηριστικά τους, ή κατά περίπτωση και με τα δύο. Κατά τη διερεύνηση των επιμέρους θεμάτων που περιλαμβάνονται στην παρούσα εργασία, η ομαλότητα αντιμετωπίζεται όχι μόνο ως μία καθοριστική παράμετρος για την αξιολόγηση της ποιότητας κύλισης, με αποδέκτες τους χρήστες μίας οδού, αλλά και ως ένα χαρακτηριστικό του οδοστρώματος που μπορεί να δώσει πληροφορίες για τη δομική κατάσταση του. Η μεθοδολογία που ακολουθείται, στην παρούσα διατριβή, χαρακτηρίζεται από επιμέρους θεματικές, με κοινό στόχο, την επίτευξη ενός αντικειμενικού τρόπου αξιολόγησης της ομαλότητας, μέσα και από τη δυνατότητα πρόβλεψης της εξέλιξης της στο χρόνο, έτσι ώστε να βελτιστοποιείται η διαδικασία διαχείρισης της συντήρησης των οδοστρωμάτων, στο πλαίσιο προστασίας τους. Τα αποτελέσματα των επιμέρους διερευνήσεων στηρίζονται στην επεξεργασία και ανάλυση μεγάλου αριθμού επιτόπου στοιχείων οδοστρώματος. Η συλλογή των υπόψη στοιχείων πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, κατά τη διάρκεια διαφόρων οδικών πειραμάτων, όπου χρησιμοποιήθηκαν τα Συστήματα μη καταστρεπτικών δοκιμών (Non Destructive Testing: NDT) του Εργαστηρίου Οδοποιίας ΕΜΠ. Η διεξαγωγή των προαναφερόμενων πειραμάτων έγινε με γνώμονα τη διασαφήνιση του τρόπου εισδοχής της παραμέτρου «ομαλότητα» στη συμπεριφορά και κατ’ επέκταση, στην επιτελεστικότητα των οδοστρωμάτων, στις διάφορες φάσεις λειτουργίας τους. Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μία προσεγγιστική μεθοδολογία, όπου η αξιολόγηση της ομαλότητας αποτελεί το μέσο για τη διαχείριση της συντήρησης των οδοστρωμάτων. Μετά από αναφορά στους περιορισμούς που έχει ο ευρέως χρησιμοποιούμενος διεθνής δείκτης ομαλότητας IRI (International Roughness Index) λόγω του προσομοιώματος υπολογισμού του, η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στις δυνατότητες της δυναμικής φασματικής (Power Spectral Density: PSD) ανάλυσης των κυματισμών της επιφάνειας των οδοστρωμάτων. Σημειώνεται ότι η PSD ανάλυση χρησιμοποιείται, όχι για να αντικαταστήσει, αλλά για να συμπληρώσει τον δείκτη IRI, ο οποίος αποτελεί ένα μέτρο μόνο της λειτουργικής κατάστασης του οδοστρώματος. Η προτεινόμενη προσεγγιστική μεθοδολογία απευθύνεται στρατηγικά στη διερεύνηση επιμέρους θεμάτων, τα οποία είναι κρίσιμα για τον ενασχολούμενο με τα οδοστρώματα οδοποιό μηχανικό. Η διατριβή εστιάζει σε μερικά από αυτά και συγκεκριμένα στην επιλογή του τρόπου συντήρησης των οδοστρωμάτων, στην αξιολόγηση της συμπεριφοράς ενός οδοστρώματος σε αρχικό στάδιο λειτουργίας του, καθώς και στην αξιολόγηση καινοτόμων τεχνολογιών συντήρησης ή αποκατάστασης των οδοστρωμάτων όπως είναι η επιτόπου ανακύκλωση με αφρώδη άσφαλτο. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής διερευνάται επίσης η επίδραση της ταχύτητας κίνησης του οχήματος στην αξιολόγηση της ομαλότητας. Σύμφωνα με τη διεθνή εμπειρία και πρακτική είναι γνωστό ότι, όσο μεγαλώνει η ταχύτητα κίνησης, τόσο πιο έντονες είναι οι δονήσεις που δέχεται το κινούμενο όχημα λόγω των αποκλίσεων της επιφάνειας ενός οδοστρώματος από τη θεωρητικά επίπεδη επιφάνεια. Η συμβολή της παρούσας διατριβής έγκειται στην τεκμηριωμένη επιστημονική ανάδειξη της σχέσης «ταχύτητα-αξιολόγηση της ομαλότητας», σε συνδυασμό με τη φασματική ανάλυση των κυματισμών της επιφάνειας ενός οδοστρώματος. Η διερεύνηση οδηγεί στο βασικό συμπέρασμα ότι η απόκριση του οχήματος, αυξάνεται ιδιαίτερα στην περίπτωση των μεγάλου μήκους κυματισμών, όσο αυξάνεται η ταχύτητα. Τεκμηριώνεται έτσι ότι, η ένταση των δονήσεων που δέχονται οι επιβαίνοντες στο όχημα, συνεχίζει και είναι μεγάλη και στους μεγάλου μήκους κυματισμούς, όταν το όχημα κινείται με υψηλή ταχύτητα. Το στοιχείο αυτό, πιστεύεται ότι είναι μία σημαντική πληροφορία για τον ενασχολούμενο με τα οδοστρώματα οδοποιό, καθώς κατά την κατασκευή ή συντήρηση ενός οδοστρώματος, δεν πρέπει να εστιάζει μόνο στη μείωση του πλάτους των μικρού μήκους κυματισμών της επιφάνειας νέων ή αποκατεστημένων οδοστρωμάτων -όπως συνήθως επιδιώκεται μέσω των εξελιγμένων τεχνικών διάστρωσης, προκειμένου να διασφαλιστεί ένα υψηλό, ή έστω αποδεκτό, επίπεδο ποιότητας κύλισης- αλλά και στη μείωση του πλάτους των μεγαλύτερου μήκους κυματισμών. Εν συνεχεία αναπτύσσεται μία μεθοδολογία για τον προσδιορισμό κριτηρίων αξιολόγησης της ομαλότητας συνυπολογίζοντας τον παράγοντα «ταχύτητα οχήματος» και αξιοποιώντας τις δυνατότητες της δυναμικής φασματικής (PSD) ανάλυσης. Κατά τη μεθοδολογία αυτή δεν παραμερίζεται ο διεθνής δείκτης IRI, αλλά αξιοποιείται ως το τελικό μέγεθος για τη θέσπιση ορίων ομαλότητας, όσον αφορά στην παραλαβή ή τη συντήρηση των οδοστρωμάτων, σε σχέση με την ταχύτητα κίνησης στην οδό. Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει τιμές ορίων ομαλότητας με βάση τον δείκτη IRI, για διάφορες ταχύτητες. Οι προτεινόμενες τιμές, οι οποίες βασίστηκαν στα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας στοιχείων ομαλότητας από 160 οδικά τμήματα, συνδυάζονται με προτάσεις για την καλύτερη εφαρμογή τους στην πράξη, καθώς είναι άμεσα αξιοποιήσιμες. Ως προς την πρόβλεψη της εξέλιξης της ομαλότητας σε βάθος χρόνου λειτουργίας των οδοστρωμάτων, η συνήθης πρακτική είναι η ανάπτυξη απλουστευμένων, στατιστικών αλγορίθμων πρόβλεψης. Η προσέγγιση αυτή παρουσιάζει διάφορα μειονεκτήματα, καθώς επικεντρώνεται στην καταγραφή και σχετική στατιστική επεξεργασία μόνο του δείκτη IRI, για τυχόν εφαρμοσιμότητα σε συγκεκριμένη κατηγορία οδοστρωμάτων, σε επίπεδο δικτύου (network level) και όχι σε επίπεδο έργου (project level) που βασικά ενδιαφέρει τον ενασχολούμενο με τα οδοστρώματα μηχανικό. Έχει παρατηρηθεί ότι τέτοιου είδους αλγόριθμοι πρόβλεψης, όταν εφαρμοστούν σε δίκτυο οδοστρωμάτων, το οποίο παρουσιάζει έστω και μικρές αποκλίσεις ως προς το δίκτυο για το οποίο αναπτύχθηκαν, δεν έχουν αξιοπιστία ως προς τα αποτελέσματά τους. Αντίθετα, η παρούσα διατριβή εστιάζει τόσο στη λειτουργική, όσο και στη δομική συμπεριφορά των οδοστρωμάτων, η οποία ουσιαστικά εκφράζεται, μόνο μέσω του συνόλου των μηχανικών χαρακτηριστικών των μιγμάτων των επιμέρους στρώσεων. Προς τούτο προτείνεται η ανάπτυξη ενός προκαταρκτικού μηχανιστικού προτύπου πρόβλεψης της εξέλιξης της ομαλότητας. Ειδικότερα, κατά τη διερεύνηση, το θέμα της πρόβλεψης της ομαλότητας προσομοιάζεται μέσα από τη δημιουργία παραμορφώσεων κατά μήκος της επιφάνειας ενός οδοστρώματος, ως το αθροιστικό αποτέλεσμα των παραμενουσών παραμορφώσεων στις επιμέρους στρώσεις. Κατόπιν κατάλληλης διερεύνησης γίνεται θεώρηση ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς των υλικών των μιγμάτων των επιμέρους στρώσεων για την προσομοίωση υπολογισμού των παραμενουσών παραμορφώσεων. Το διάγραμμα των υπολογισμένων παραμενουσών παραμορφώσεων κατά μήκος ενός υπό διερεύνηση οδοστρώματος περιγράφει τις προβλεπόμενες αποκλίσεις της επιφάνειας του οδοστρώματος από τη θεωρητικά επίπεδη επιφάνεια και κατά συνέπεια εκφράζει, την προβλεπόμενη ομαλότητα της επιφάνειας του οδοστρώματος για δεδομένη κυκλοφορία και δεδομένες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η υπόψη προσέγγιση οδηγεί στην ανάπτυξη του προτύπου PROviMA (Prediction of Roughness viewing Mechanical Analysis) ως ένα προκαταρκτικό βήμα για την πρόβλεψη της εξέλιξης της ομαλότητας στο χρόνο. Το προτεινόμενο πρότυπο έχει εφαρμοσιμότητα σε επίπεδο έργου. Για τη διερεύνηση της εφικτότητας πρόβλεψης της εξέλιξης της κατά μήκος ομαλότητας, με βάση το προτεινόμενο πρότυπο PROviMA, δηλαδή της ανάπτυξης παραμενουσών παραμορφώσεων κατά μήκος της επιφάνειας των οδοστρωμάτων, πραγματοποιήθηκε οδικό πείραμα σε τμήμα αυτοκινητοδρόμου. Κατόπιν κατάλληλης στατιστικής επεξεργασίας προκύπτει ότι, τα αποτελέσματα του πειράματος, ως πρώτη προσέγγιση στην πράξη της σύγκλισης των μορφών, συγκρινόμενων διαγραμμάτων, προβλεπόμενων και μετρημένων αποκλίσεων από τη θεωρητικά επίπεδη επιφάνεια, κατά μήκος ενός οδοστρώματος, είναι ενθαρρυντικά. To PROviMA, μέσω και της εν δυνάμει εξέλιξής του, πιστεύεται ότι, είναι δυνατό να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο, όχι μόνο για τη διερεύνηση της πρόβλεψης της εξέλιξης της ομαλότητας, αλλά και για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς των διαφόρων τύπων μιγμάτων -τόσο μεμονωμένα, όσο και στο σύνολο τους- των στρώσεων ενός οδοστρώματος κατά τον σχεδίασμά του, προκειμένου να επιτευχθεί η βέλτιστη διαστασιολόγηση του νέου οδοστρώματος. Ανάλογα ισχύουν και στην περίπτωση σχεδιασμού αποκατάστασης ή ενίσχυσης ενός υφιστάμενου οδοστρώματος. Επίσης, με το PROviMA είναι δυνατό να γίνει και η αξιολόγηση διαφόρων τεχνολογιών για την αποκατάσταση ενός εν λειτουργία οδοστρώματος μέσω της πρόβλεψης της συμπεριφοράς του, στο πλαίσιο διαφόρων εναλλακτικών προτάσεων συντήρησης/αποκατάστασης. Επιπλέον, μέσω της προτεινόμενης προσομοίωσης που περιγράφεται στο πρότυπο PROviMA, θα μπορούσε να διερευνηθεί η συμπεριφορά και νέων υλικών των μιγμάτων. Σε όλες τις περιπτώσεις, βασικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου προτύπου PROviMA είναι ότι, για τη λειτουργία του χρησιμοποιούνται στοιχεία, των οποίων η συλλογή γίνεται επιτόπου (in-situ) με συστήματα μη καταστρεπτικών δοκιμών (NDT) και αναλύσεων. Τα συστήματα αυτά, αφενός δε διαταράζουν τη δομή του οδοστρώματος, με άμεσα επίσης οφέλη ως προς την εξοικονόμηση χρόνου και κόστους για τη διεξαγωγή των μη καταστρεπτικών δοκιμών και αφετέρου, τα αποτελέσματα τους αντιπροσωπεύουν καλύτερα την πραγματική κατάσταση/συμπεριφορά του οδοστρώματος, από τις κλασσικές συνθήκες εργαστηρίου υπό κλίμακα. Συνολικά, τα αποτελέσματα της έρευνας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι, η πρόβλεψη της εξέλιξης της ομαλότητας των οδοστρωμάτων, σε συνδυασμό με τις προτεινόμενες διαδικασίες ή προσεγγίσεις αξιολόγησης της, μπορούν να αποτελέσουν ισχυρό εφόδιο στο πλαίσιο της ευρύτερης διαχείρισης της προστασίας ενός σύγχρονου οδοστρώματος. Το στοιχείο αυτό πιστεύεται ότι έχει ιδιαίτερα επιστημονικό και πρακτικό χαρακτήρα, τόσο σε διεθνές, όσο και σε εθνικό επίπεδο, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για οδοστρώματα μεγάλης διάρκειας, όπως για παράδειγμα είναι τα οδοστρώματα οδών ή οδικών δικτύων που εντάσσονται σε συστήματα παραχώρησης ΒΟΤ/ΡΡΡ (Build-Operate-Transfer/Public-Private-Partnerships)

Structural Performance of Foamed Asphalt Base in a Full Depth Reclaimed and Sustainable Pavement

Environmental awareness and budgetary constraints in road construction and rehabilitation require innovative and at the same time environmentally friendly solutions in favor of resource conservation, in any type of pavement intervention. In the meantime, surface interventions in severely deteriorated pavements are insufficient, increasing as such the recycling potential of existing materials in Full Depth Reclamation (FDR). This study addresses the efficiency of an FDR process in which the recycled base course of an existing semi-rigid pavement is stabilized with Foamed Asphalt (FA). The adverse effects of FA curing, which have a significant impact on pavement evaluation, particularly in the early stages of a pavement’s life cycle, prompted the conduct of a comprehensive testing campaign at two different periods, shortly after pavement rehabilitation and five years thereafter. The campaign included nondestructive testing at the aforementioned periods using Ground Penetrating Radar (GPR) and the Falling Weight Deflectometer (FWD), which facilitate the structural evaluation of the FA base. Using the collected nondestructive testing data, the principles of Multi-Layer Elastic Theory (MLET) and Genetic Algorithms (GA) are used to investigate the performance of the FA base. Both analysis tools captured the FA strength increase in the second period, but an increased variance of the FA modulus was observed mainly in the first test period, probably due to the curing effect. In addition, GA showed an advantage over other, more conventional tools for back-analysis of pavement stiffness, resulting in an interesting correlation potential of FA modulus to a deflection-based parameter reflecting the condition of the FA layer. Overall, the study contributes to the development of a practical methodology suitable for the evaluation of non-conventional and sustainable pavement structures

Mechanistic Analysis of Asphalt Pavements in Support of Pavement Preservation Decision-Making

Modern roadways provide road users with a comfortable and safe ride to their destinations. Due to increasing traffic demands and maximum allowable loads, road authorities should also pay attention to the structural soundness of road pavements while seeking cost-effective and timely maintenance or minor rehabilitation activities. This means that a sustainable pavement preservation strategy is needed that includes an optimal pavement condition assessment to support the appropriate decision-making processes. To address this need, this research study proposes an approach to integrate Non-Destructive Testing (NDT) data and ground truth data to predict the long-term performance of flexible pavements. Appropriate mechanistic models that take into account the nature of Asphalt Concrete (AC) materials are used for the analysis to increase the accuracy of the results when it comes to protecting and extending pavement life. The results indicated that examining viscoelastic behavior for AC appears to be a more conservative approach for the response analysis, as well as the fatigue performance analysis, compared to the most conventional assumptions for linear elastic materials. In accordance with common sense, AC temperature was considered as a critical factor for the related investigation. Overall, it may not be a good and reliable practice to continue the process of pavement management and maintenance decisions based on the approach of only one analysis type

Using NDT Data to Assess the Effect of Pavement Thickness Variability on Ride Quality

Pavement condition largely determines its long-term behavior and is of paramount importance for rehabilitation and maintenance management. The use of non-destructive testing (NDT) systems to assess pavement condition has gained much popularity. Often, well-known NDT systems are combined to take full advantage of the capabilities of each system. Combining independent NDT systems to optimize the assessment process is a scientific challenge. With this in mind, the purpose of this paper is to investigate the extent to which data from two independent NDT systems can be combined: pavement thickness obtained with ground penetrating radar (GPR) and roughness data obtained with a road surface profiler (RSP). In particular, the objective of this study is to determine whether the expected variations in asphalt layer thickness, due to the construction process and the different pavement cross sections along the same road/highway road, may have an impact on pavement roughness as expressed in International Roughness Index (IRI) values. GPR and roughness data are collected, processed, and analyzed. The analysis results show that thickness variations are reflected in pavement roughness. The greater the variation in asphalt layer thickness, the greater the IRI values. Furthermore, it is argued that the GPR capabilities can be used for an initial assessment of the expected pavement quality

Soft Computing Models to Predict Pavement Roughness: A Comparative Study

Pavement roughness as a critical determinant of public satisfaction can potentially play a major role in road or highway resource allocation to competing pavement resurfacing projects. With this in mind, the aim of the present paper is to develop an accurate model for the prediction of pavement roughness in terms of the International Roughness Index (IRI) using artificial neural networks (ANNs) and support vector machines (SVMs). The modeling is based on pavement roughness data collected periodically for a high-volume motorway during a seven-year period, on a yearly basis. The comparative study of the developed models concludes that the performance of the ANN model is slightly better compared to the SVM in terms of prediction accuracy. Further, the analysis results produce evidence in support of the statement that both models are capable to predict accurately pavement roughness; hence, they are deemed useful for supporting decision making of pavement maintenance and rehabilitation strategies