Evaluation of the damage of an asphalt mix under repeated freeze-thaw cycles

Badeli, Saeed (2018). Evaluation of the damage of an asphalt mix under repeated freeze-thaw cycles. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Asphalt mixtures are temperature sensitive and have viscoelastic characteristics, so the performances of an asphalt mixture are often affected by nature phenomenon. In Canada, like in many other northern countries, freeze-thaw cycles are a common phenomenon. Also, it is believed that the number of freeze-thaw cycles is increasing with the influence of the climate change. Because of that, the actual methods to predict the pavement distress may overestimate the pavement life.

Fatigue distress is a fracture mechanism generated by repeated applications of tensile strains that creates stresses which are less than the strength of the materials. It is initiated at the bottom of the asphalt base layer that is mostly built, in Quebec, with GB20 mix. GB20 is a rutting resistant mix with low binder content that makes it sensitive to fatigue damage. On the other hand, during thaw period, the melting of snow induces bearing capacity loss. The loss of structural support from underlying layers creates a significant increase in tensile stresses at the bottom of the asphalt layers. In addition, there is another possibility of increased tensile stresses due to temperature variations and water expansion/contraction which causes an increase in early fatigue cracking. The effect of temperature and moisture at the bottom of the asphalt layer is totally neglected so far. The thermal variation and moisture contraction/expansion can produce horizontal strains that induce fatigue damage. The effect of environmental freeze-thaw cycle test on the evolution of fatigue cracking has not investigated properly yet.

In this research, an asphalt mixture commonly used in the province of Quebec mostly as a base course is studied (GB20). The expansion and contraction of tested specimens are generated by the environmental chamber and measured by strain gauges. Direct Tension-Compression (DTC) equipment is used for the analysis of fatigue, and complex modulus tests. Rapid freezethaw cycles have been implemented to the conditioned specimens in the lab to simulate the daily rapid freeze-thaw cycles.

The results demonstrated that the compaction level significantly affects the behavior of the GB20 mix after a large number of rapid freeze-thaw cycles. The effect of rapid freeze-thaw cycles on viscoelastic behavior of the mix was added to the Witczak formula to improve the prediction of the service life of this type of mix. Considering the results of the complex modulus analysis, it was found that the influence of freeze-thaw conditions on the stiffness behavior of the mix is higher with increasing the number of cycles. Regarding fatigue test results, the reference mixture (no freeze-thaw cycles) was more resistant to fatigue cracking than the conditioned mix (mix conditioned with 300 rapid freeze-thaw cycles). The results also indicated that the addition of Aramid Pulp Fiber (APF) could increase the performance and durability of the GB20 asphalt base mix.

Résumé traduit

Les mélanges d'enrobé sont des matériaux viscoélastiques thermosensibles, de sorte que leurs performances sont affectées par l’environnement. Au Canada, comme dans de nombreux autres pays nordique, les cycles de gel et de dégel sont des phénomènes courants. En outre, on croit que le nombre de cycles de gel et de dégel augmente avec l'influence des changements climatiques. À cause de cela, les méthodes actuelles pour prédire la dégradation des chausses peuvent surestimer la durée de vie.

La dégradation due à la fatigue est un mécanisme de fracture généré par une application répétée de contraintes de traction inférieures à la résistance des matériaux. Elle est initié au bas de la couche structurelle en enrobé qui est habituellement constitué d’un enrobé GB20 au Québec. Le GB20 est un mélange résistant à l'orniérage avec une faible teneur en liant sensible aux dommages dus à la fatigue. D'autre part, pendant la période de dégel, la fonte de la neige induit une perte de capacité portante. La perte de support structurel des couches sous-jacentes crée une augmentation significative des contraintes de traction au bas des couches d'enrobés. En outre, il existe une autre possibilité d'augmentation des contraintes de traction due aux variations de température et à la dilatation / contraction de l'eau qui provoque une augmentation de la fissuration par fatigue précoce. L'effet de la variation de température et de l'humidité à la base des enrobés est totalement négligé jusqu'à présent. La variation thermique et la contraction / expansion de l'humidité peuvent produire des contraintes horizontales qui induisent des dommages par fatigue. L'effet du test de cycle de gel-dégel environnemental sur l'évolution de la fissuration par fatigue n'a pas encore été étudié correctement.

Dans le cadre de cette recherche, on étudie un mélange d'enrobé couramment utilisé dans la province de Québec en couche de base, soit le GB20. L'expansion et la contraction des échantillons testés sont générés par la chambre environnementale et mesurés par des jauges de contrainte. L'équipement de traction-compression directe est utilisé pour l'analyse de la fatigue et les essais de module complexe. Des cycles rapides de gel-dégel ont été mis en oeuvre sur les échantillons conditionnés en laboratoire pour simuler les cycles quotidiens de gel-dégel rapide.

Les résultats ont démontré que le niveau de compactage affecte significativement le comportement du mélange GB20 après un grand nombre de cycles rapides de congelation décongélation. L'effet des cycles rapides de gel-dégel sur le comportement viscoélastique du mélange a été ajouté à la formule de Witczak pour améliorer la prédiction de la durée de vie de ce type de mélange. En considérant les résultats de l'analyse du module complexe, on a trouvé que l'influence des conditions de gel-dégel sur le comportement de rigidité du mélange est plus élevée en augmentant le nombre de cycles. En ce qui concerne les résultats des essais de fatigue, le mélange de référence (pas de cycles de gel-dégel) était plus résistant à la fissuration par fatigue que le mélange conditionné (mélange conditionné avec 300 cycles de gel-dégel rapides). Les résultats ont également indiqué que l'ajout de fibre d'aramide (APF) pourrait augmenter les performances et la durabilité des GB20.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 161-166).
Mots-clés libres:	enrobés, cycles de gel-dégel, performance de l'enrobé, durabilité de l'enrobé
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Carter, Alan
Codirecteur:	Codirecteur Doré, Guy
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 mars 2019 15:51
Dernière modification:	08 mars 2019 15:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2231

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