Mechanistic evaluation of geosynthetic interlayer performance in asphalt overlays: Effects of temperature, loading rate, and placement depth

Ho, Van-Thang (2026). Mechanistic evaluation of geosynthetic interlayer performance in asphalt overlays: Effects of temperature, loading rate, and placement depth. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Reflective cracking remains a critical challenge in bituminous pavement rehabilitation. This distress occurs when existing cracks in the underlying pavement propagate upward through the asphalt overlay, compromising rehabilitation durability and necessitating repeated maintenance interventions. Geosynthetic interlayers offer a promising solution for mitigating this problem, but their effectiveness depends on multiple factors that have rarely been studied systematically.

This thesis presents a mechanistic evaluation of three geosynthetic interlayer types - a paving fabric (PF), a carbon-glass fiber geogrid (Carbophalt GB), and a fiberglass geocomposite (Glasphalt GV) - using a crack widening device developed at ÉTS. This device enables rapid, reproducible assessment of crack resistance in reinforced bituminous systems using compact specimens (80 mm × 80 mm × 80 mm).

The experimental program systematically examines the effects of temperature (-20 °C, 25 °C, and 40 °C), loading rate (2 and 5 mm/min), and placement depth (one-third, one half, and twothirds from the specimen bottom), with the full rate-depth factorial conducted at 25 °C and 40 °C. Performance parameters include stiffness indices (K0-4mm and K̄ 10 30%), energy dissipation, Toughness Improvement Factor (TIF), fracture energy (GIC), and interfacial J-integral.

The results show clear behavioral differences among materials. Paving fabric delivers stable performance with low rate-sensitivity (TIF of 1.36-1.54 at 2 mm/min and 1.08-1.21 at 5 mm/min), attributable to progressive fiber activation that enables effective energy absorption across both displacement rates. Glasphalt GV shows strong rate sensitivity: poor performance at 2 mm/min (TIF of 0.54 - 0.57) reverses to excellent performance at 5 mm/min (TIF of 1.12- 1.29), indicating its glass fiber network requires dynamic loading for effective activation. Carbophalt GB shows moderate, stable performance (TIF ≈ 1.0).

One-third depth placement consistently outperforms other positions across all materials and conditions, enabling early crack interception and effective stress redistribution before significant damage accumulates in the upper asphalt layer. Unreinforced specimens achieve higher stiffness but exhibit brittle failure, whereas reinforced systems trade stiffness for ductility - precisely the intended function of geosynthetic interlayers.

At elevated temperature (40 °C), reduced asphalt viscosity limits force development despite increased deformation capacity. The interfacial J-integral analysis confirms that paving fabric at one-third depth requires the highest energy for crack propagation, validating its superior crack resistance.

A supplementary pull-out investigation revealed that the bolt-clamped configuration induced tensile-tearing failure of the geotextile rather than interface debonding, providing lessons for future bond-strength testing protocols. A finite element model calibrated against the measured response reproduced the peak force, the peak displacement, and the dissipated work within 3 percent. An exploratory correlation framework between monotonic and cyclic fatigue loading parameters was developed using log-linear regression on three consistent material datasets, providing a diagnostic tool for anticipating fatigue ranking from faster monotonic tests.

This research provides practical recommendations for interlayer selection and placement: paving fabric for general applications across variable traffic conditions, Glasphalt GV only for high-speed dynamic loading environments, and one-third depth placement for all geosynthetic types. The findings also show that laboratory testing protocols should incorporate multiple loading rates, as single-rate testing may misrepresent field performance.

Titre traduit

Évaluation mécanistique de la performance des intercouches géosynthétiques dans les rechargements en enrobé bitumineux : Effets de la température, du taux de chargement et de la profondeur de placement

Résumé traduit

La fissuration réflective demeure un défi majeur pour la réhabilitation des chaussées bitumineuses. Cette forme de dégradation se produit lorsque les fissures existantes dans la chaussée sous-jacente se propagent vers le haut à travers le rechargement d'asphalte, compromettant ainsi la durabilité de la réhabilitation et nécessitant des interventions d'entretien répétées. Les intercouches géosynthétiques offrent une solution prometteuse pour atténuer ce problème, mais leur efficacité dépend de multiples facteurs qui n'ont que rarement été étudiés de manière systématique.

Cette thèse présente une évaluation mécanistique complète de trois types d'intercouches géosynthétiques - un géotextile (tissu de pavage, PF), une géogrille verre-carbone (Carbophalt GB) et un géocomposite en fibre de verre (Glasphalt GV) - en utilisant un dispositif d'élargissement de fissure développé à l'ÉTS. Ce dispositif permet une évaluation rapide et reproductible de la résistance à la fissuration des systèmes bitumineux renforcés en utilisant des éprouvettes compactes (80 mm × 80 mm × 80 mm).

Le programme expérimental examine systématiquement les effets de la température (-20 °C, 25 °C et 40 °C), du taux de chargement (2 et 5 mm/min) et de la profondeur de placement (un tiers, mi-hauteur et deux tiers depuis le bas de l'éprouvette), le plan factoriel complet taux-profondeur étant réalisé à 25 °C et 40 °C. Les paramètres de performance comprennent les indices de rigidité (K0-4mm et K̄ 10-30%), l'énergie de dissipation, le facteur d'amélioration de la ténacité (TIF), l'énergie de fracture (GIC) et l'intégrale J interfaciale.

Les résultats révèlent des différences significatives de comportement entre les matériaux. Le tissu de pavage offre une performance stable avec une faible sensibilité au taux de chargement (TIF de 1,36-1,54 à 2 mm/min et 1,08-1,21 à 5 mm/min), attribuable à l'activation progressive des fibres qui permet une absorption d'énergie efficace aux deux taux de chargement. Le Glasphalt GV présente une forte sensibilité au taux de chargement : une performance médiocre à 2 mm/min (TIF de 0,54 0,57) s'inverse vers une excellente performance à 5 mm/min (TIF de 1,12-1,29), indiquant que son réseau de fibres de verre nécessite un chargement dynamique pour une activation efficace. Le Carbophalt GB démontre une performance modérée et stable (TIF ≈ 1,0).

Le placement à un tiers de profondeur surpasse systématiquement les autres positions pour tous les matériaux et conditions, permettant une interception précoce des fissures et une redistribution efficace des contraintes. Les éprouvettes non renforcées atteignent une rigidité plus élevée mais présentent une rupture fragile, tandis que les systèmes renforcés échangent la rigidité contre la ductilité - précisément la fonction prévue des intercouches géosynthétiques.

Ces résultats fournissent des recommandations pratiques pour la sélection et le positionnement des intercouches: le tissu de pavage pour les applications générales avec des conditions de trafic variables, le Glasphalt GV uniquement pour les environnements de chargement dynamique à haute vitesse, et le placement à un tiers de profondeur pour tous les types de géosynthétiques.

Une étude complémentaire d'arrachement a montré que le montage boulonné provoquait une rupture en traction du géotextile plutôt qu'un décollement d'interface, ce qui fournit des enseignements méthodologiques pour les futurs protocoles d'essai d'adhérence. Un modèle par éléments finis calibré sur la réponse mesurée a reproduit la force au pic, le déplacement au pic et le travail dissipé à moins de 3 pour cent. Un cadre de corrélation exploratoire entre les paramètres de chargement monotone et de fatigue cyclique a été développé par régression log-linéaire sur trois ensembles de données cohérents, offrant un outil de diagnostic pour anticiper le classement en fatigue à partir d'essais monotones plus rapides.

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 201-210).
Mots-clés libres:	dispositif d'élargissement de fissure, dissipation d'énergie, fissuration réflective, facteur d'amélioration de la ténacité, interface bitumineuse, énergie de fracture, géosynthétiques, rechargement d'asphalte
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Carter, Alan
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Vaillancourt, Michel Dave, Eshan
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 sept. 2026 18:08
Dernière modification:	25 sept. 2026 18:08
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4112

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