Contribution to the evaluation of the compaction characteristics of asphalt mixtures

Abstract

Asphalt mixture compaction has been well recognized as one of the most critical factors affecting the pavement behavior, providing all desirable mixture design characteristics are met. This poses a challenge the laboratory compaction to simulate the field compaction, so that a reliable assessment of the on-site asphalt mixture’s characteristics, both mechanical and surface, is enabled to ensure proper asphalt pavement behavior. Comparative evaluation between the commonly available laboratory compaction methods has reached inconclusive results as to which method is the best in terms of simulating the field compaction conditions. However, it is widely acknowledged that compaction method has direct impact on the aggregate structure within the compacted mixture, and hence studying this can lead to understanding of the mechanism of the aggregate inter-particle arrangement. It is believed that linking this to the changes in asphalt mixture performance-based characteristics can thus lead to better understanding of the dominant compaction parameters and the resulting mechanical response. Furthermore, the pavement surface shall provide adequate skid resistance, which is vital for the safety of the driving public. This implies that pavement engineers shall be able to precisely evaluate and quantify before construction the field compaction-based surface texture characteristics of asphalt mixtures, which so far has been investigated to a limited extent. Hence, a practical methodology shall be developed to allow the prediction of the on-site asphalt surface characteristics of the mixture with respect to the compaction process from laboratory produced specimens. The aim of this Thesis was to contribute to a better simulation of in-situ conditions through laboratory compaction methods, so that reliable results can be obtained to assess, as accurately as possible, the on-site characteristics of field-compacted asphalt mixtures. To reach this aim, extensive laboratory (based on impact, gyratory and roller compaction methods) and field experiments were designed and performed, including the implementation of modern Non Destructive Testing (NDT) technologies for rigorous evaluation purposes. A holistic approach, including investigations for both the compaction dependent surface and mechanical characteristics of asphalt mixtures, was adopted. In this methodology, at first the compaction factors affecting significantly the compactability, stiffness and rut resistance characteristics of asphalt mixtures are identified, characteristics which have been found to be strongly influenced from compaction methods. Secondly, evaluating the internal structure of asphalt mixtures by means of 2-D image analyses understanding the compaction factors controlling the formation of aggregate skeleton, in terms of aggregate ‘contact points’, orientation and segregation, is obtained. This is important to understand the interplay between the internal structure and mechanical performance of asphalt mixtures and relate this to the compaction methodology. Based on the experimental findings, a clear understanding of the key compaction parameters for each compaction method has been reached. For instance, the compaction temperature, (initial) diameter and angle of gyration, compaction temperature and effort were found to be the dominant parameters for the impact, gyratory and roller compaction, respectively. These factors eventually form the basis for laboratory compaction regimes to contribute to bridge the gap with the field compaction-based mechanical characteristics, which will have a significant influence when using mechanistic-empirical pavement analyses methods to improve the pavement analysis outcome towards better representing the actual pavement behavior. This research’ findings also indicated that the laboratory compaction testing during mixture design process cannot reliably reflect the compactability of asphalt mixtures in the field and hence provide essential input to be used for the construction process. In practice, achieving on-site the target compaction degree is still a heuristic process, mainly, on the basis of installation of a trial section. Within this procedure, contractors seek to establish the rolling pattern to achieve the target density by determining the compaction density curve with number of roller passes without however taking into consideration dominant parameters controlling the compaction process, such as mixture temperature properties. In this Thesis, attempting to maximize the benefits from the installation of a trial section, an improved and practical NDT-based methodology to establish effectively the rolling pattern has been developed making due allowance for the mixture temperature properties and the variability in construction conditions. Furthermore, an integrated GPR-based methodology to assess reliably the in-place density was introduced, which enable within production rolling to verify the effectiveness of the established rolling pattern to fulfill the compaction requirements. Both these methodologies can benefit contractors and agencies to improve not only the on-site compaction methodology to ensure a proper pavement initial condition, but also the compaction quality control procedures offering the benefit, compared to more traditional destructive test methods, of full coverage nondestructive evaluation of the pavement mat. Particularly, through enhanced field compaction a proper pavement initial condition, according to design criteria, will be ensured and the positive influences will therefore be not only a substantial decrease in needs for maintenance works and thereby in the total life cycle cost, but also less disruption to road users. Moreover, in this Thesis a simple, yet, and practical methodology has been developed, which allows to estimate the field compaction-based surface texture characteristics of asphalt mixtures. With this methodology, which includes the roller compaction method for producing laboratory specimens to be subjected to typical laboratory tests (namely the sand patch and British pendulum), it was demonstrated that the performance of different mixtures in terms of skid resistance and the efficacy of the various compaction modes may be effectively evaluated. Also, the preliminary experimental results indicated a good correlation between the skid resistance characteristics of laboratory - and field compaction-based asphalt surface. Hence, this methodology can benefit pavement engineers offering them the possibility to quantify and optimize the skid resistance-related properties of asphalt mixtures during the laboratory design process, as well as helpful information that may be potentially used to assess the safety of road users at the early stage of asphalt pavement in service. Further, this methodology offers essential information for contractors to establish an effective field compaction mode to achieve conformity with construction requirements.

Η συμπύκνωση των ασφαλτικών μιγμάτων έχει αναγνωρισθεί διεθνώς ότι αποτελεί ίσως την πιο κρίσιμη παράμετρο της συμπεριφοράς του οδοστρώματος, εφόσον κατά τον σχεδιασμό εξασφαλισθούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του ασφαλτομίγματος. Αυτό θέτει ως πρόκληση η εργαστηριακή συμπύκνωση να προσομοιάζει τη συμπύκνωση στο πεδίο, ώστε να μπορεί να επιτευχθεί αξιόπιστη εκτίμηση των επιτόπου μηχανικών και επιφανειακών χαρακτηριστικών του ασφαλτομίγματος για τη διασφάλιση της κατάλληλης συμπεριφοράς του οδοστρώματος. Από τη συγκριτική αξιολόγηση μεταξύ των διεθνώς εφαρμοζόμενων μεθόδων εργαστηριακής συμπύκνωσης δεν έχει υπάρξει μέχρι στιγμής ομοφωνία ως προς τη μέθοδο η οποία προσομοιάζει καλύτερα τη συμπύκνωση στο πεδίο. Ωστόσο, έχει ευρέως αναγνωρισθεί ότι η μέθοδος συμπύκνωσης έχει άμεση επίπτωση στην εσωτερική δομή του ασφαλτομίγματος, και ως εκ τούτου η μελέτη της εσωτερικής δομής μπορεί να οδηγήσει στην κατανόηση του μηχανισμού διάταξης των αδρανών στη μάζα του συμπυκνωμένου ασφαλτομίγματος. Η σύνδεση της εσωτερικής δομής με τις μεταβολές στα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς του ασφαλτομίγματος πιστεύεται ότι μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη κατανόηση των κύριων παραμέτρων συμπύκνωσης που διαφοροποιούν τη μηχανική συμπεριφορά των ασφαλτομιγμάτων. Επισημαίνεται επίσης ότι η επαρκής αντιολισθητική ικανότητα της επιφάνειας του οδοστρώματος είναι ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια των οδηγών. Αυτό σημαίνει ότι οι μηχανικοί οδοστρωμάτων θα πρέπει να είναι σε θέση να αξιολογήσουν με ακρίβεια και να ποσοτικοποιήσουν πριν την κατασκευή τα επιφανειακά χαρακτηριστικά υφής λόγω της συμπύκνωσης στο έργο, αντικείμενο που μέχρι στιγμής έχει διερευνηθεί μόνο σε περιορισμένη έκταση. Ως εκ τούτου, αναδεικνύεται η ανάγκη να αναπτυχθεί μια μέθοδος, η οποία θα επιτρέπει την πρόβλεψη των επιτόπου επιφανειακών χαρακτηριστικών υφής του ασφαλτομίγματος σε σχέση με τη διαδικασία συμπύκνωσης μέσω εργαστηριακών δοκιμίων. Στόχο της Διδακτορικής Διατριβής αποτέλεσε η συμβολή στην καλύτερη προσέγγιση των επιτόπου συνθηκών μέσω των εργαστηριακών μεθόδων συμπύκνωσης για την, κατά το δυνατόν, ακριβέστερη εκτίμηση των χαρακτηριστικών συμπεριφοράς των ασφαλτικών μιγμάτων με συμπύκνωση στο πεδίο. Για την επίτευξη του υπόψη στόχου, πραγματοποιήθηκε σχεδιασμός και υλοποίηση πειραμάτων μεγάλης κλίμακας στο εργαστήριο (με εφαρμογή των μεθόδων συμπύκνωσης: κρουστικής, γυροσκοπικής και με κύλινδρο) και στο πεδίο, συμπεριλαμβανομένης της εφαρμογής σύγχρονων τεχνολογιών μη καταστρεπτικών δοκιμών για λόγους κριτικής αξιολόγησης. Στο πλαίσιο αυτό υιοθετήθηκε μια ολιστική προσέγγιση, η οποία περιλαμβάνει διερευνήσεις των επιφανειακών και των μηχανικών χαρακτηριστικών των ασφαλτομιγμάτων. Μέσω της υπόψη μεθοδολογίας, αρχικά, αναγνωρίσθηκαν οι κρίσιμες παράμετροι συμπύκνωσης που επηρεάζουν σημαντικά τη συμπυκνωσιμότητα, τη δυσκαμψία και την ανθεκτικότητα σε παραμένουσες παραμορφώσεις των ασφαλτομιγμάτων, χαρακτηριστικά τα οποία έχει βρεθεί ότι επηρεάζονται σημαντικά από τη μέθοδο συμπύκνωσης. Επίσης, από την αξιολόγηση της εσωτερικής δομής των ασφαλτομιγμάτων μέσω αναλύσεων εικόνας δισδιάστατης μορφής επιτεύχθηκε κατανόηση των κρίσιμων παραμέτρων συμπύκνωσης που διαμορφώνουν τον σκελετό, υπό την έννοια του αριθμού των «σημείων επαφής», προσανατολισμού και διαχωρισμού των αδρανών στο μίγμα. Αυτό είναι σημαντικό ώστε να υπάρξει κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της εσωτερικής δομής και της μηχανικής συμπεριφοράς των ασφαλτομιγμάτων και συσχέτιση με τη μεθοδολογία συμπύκνωσης. Με βάση τα πειραματικά ευρήματα, επιτεύχθηκε σαφής κατανόηση, για κάθε εργαστηριακή μέθοδο, των βασικών παραμέτρων που επηρεάζουν σημαντικά τη διαδικασία συμπύκνωσης και κατ’ επέκταση τη συμπεριφορά του ασφαλτομίγματος. Για παράδειγμα, βρέθηκε ότι η θερμοκρασία συμπύκνωσης, η (αρχική) διάμετρος και η γωνία περιστροφής, η θερμοκρασία και η ενέργεια συμπύκνωσης αποτελούν τις κυριότερες παραμέτρους της κρουστικής, γυροσκοπικής και της συμπύκνωσης με κύλινδρο, αντίστοιχα. Οι υπόψη παράμετροι αποτέλεσαν τελικά τη βάση πρότασης οδηγιών εργαστηριακής συμπύκνωσης, η οποία συμβάλλει στην καλύτερη εκτίμηση των μηχανικών χαρακτηριστικών των ασφαλτομιγμάτων με συμπύκνωση στο έργο. Σημειώνεται ότι η συμβολή αυτή θα έχει σημαντική επιρροή στο πλαίσιο της εφαρμογής μηχανιστικών-εμπειρικών μεθόδων ανάλυσης του οδοστρώματος κατά τρόπο που θα βελτιώνει τα αποτελέσματα των αναλύσεων ώστε να αποδίδουν καλύτερα την πραγματική συμπεριφορά του οδοστρώματος. Τα ευρήματα της έρευνας έδειξαν επίσης ότι οι δοκιμές συμπύκνωσης στο εργαστήριο κατά τη διαδικασία σχεδιασμού των μιγμάτων δεν αποδίδουν αξιόπιστα τα χαρακτηριστικά συμπυκνωσιμότητας των ασφαλτομιγμάτων στο πεδίο, ώστε να παρέχουν ουσιαστική βοήθεια που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία της κατασκευής. Στην πράξη, εξακολουθεί να γίνεται αναζήτηση της μεθοδολογίας συμπύκνωσης για την οποία επιτυγχάνεται επιτόπου ο βαθμός συμπύκνωσης που έχει τεθεί ως στόχος, διαδικασία η οποία υλοποιείται, κυρίως, μέσω της κατασκευής ενός δοκιμαστικού τμήματος. Στο πλαίσιο της διαδικασίας αυτής, οι κατασκευαστές επιδιώκουν να διαμορφώσουν την κατάλληλη –με στόχευση την επίτευξη της πυκνότητας αναφοράς- μεθοδολογία συμπύκνωσης μέσω προσδιορισμού της καμπύλης πυκνότητας συμπύκνωσης σε σχέση με τον αριθμό των διελεύσεων του οδοστρωτήρα, χωρίς ωστόσο να λαμβάνουν υπόψη σημαντικές παραμέτρους που επηρεάζουν τη διαδικασία συμπύκνωσης, όπως οι θερμικές ιδιότητες του ασφλτομίγματος. Στο πλαίσιο της διατριβής, στην προσπάθεια να μεγιστοποιηθούν τα οφέλη από την κατασκευή ενός δοκιμαστικού τμήματος, αναπτύχθηκε μια βελτιωμένη και πρακτική μεθοδολογία η οποία βασίζεται σε επιτόπου μη καταστρεπτικές δοκιμές για τη διαμόρφωση της μεθοδολογίας συμπύκνωσης, μέσω της οποίας λαμβάνονται υπόψη οι θερμικές ιδιότητες του ασφαλτομίγματος και η μεταβλητότητα των συνθηκών κατασκευής. Επιπλέον, διαμορφώθηκε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία -με βάση την γεωφυσική μέθοδο GPR- για την αξιόπιστη εκτίμηση της επιτόπου πυκνότητας, μέσω της οποίας δίνεται η δυνατότητα αξιολόγησης, κατά τη διάρκεια των κύριων εργασιών συμπύκνωσης, της αποτελεσματικότητας της προσδιορισμένης μεθοδολογίας συμπύκνωσης ως προς την εξασφάλιση των απαιτήσεων συμπύκνωσης. Οι υπόψη μεθοδολογίες μπορεί να ωφελήσουν τους κατασκευαστές και τις Υπηρεσίες οδοστρωμάτων στη βελτίωση της μεθοδολογίας επιτόπου συμπύκνωσης, καθώς και των διαδικασιών ποιοτικού ελέγχου. Συγκεκριμένα, μέσω της βελτίωσης της μεθοδολογίας συμπύκνωσης στο έργο μπορεί να εξασφαλισθεί η κατάλληλη, σύμφωνα με τα κριτήρια σχεδιασμού, αρχική κατάσταση του οδοστρώματος, η οποία θα μειώσει την ανάγκη εργασιών συντήρησης και κατ’ επέκταση το κόστος συντήρησης, καθώς επίσης θα περιορίσει την όχληση των χρηστών της οδού. Επίσης, η χρήση των μη καταστρεπτικών δοκιμών, σε σχέση με τις παραδοσιακές καταστρεπτικές μεθόδους, προσφέρει το πλεονέκτημα της αξιολόγησης σε πλήρη κλίμακα της ποιότητας συμπύκνωσης του ασφαλτοτάπητα βελτιώνοντας τις διαδικασίες του ποιοτικού ελέγχου της κατασκευής. Επιπλέον, στην υπόψη έρευνα αναπτύχθηκε μια απλή, αλλά και πρακτική μέθοδος, η οποία επιτρέπει την πρόβλεψη των επιφανειακών χαρακτηριστικών υφής των ασφαλτομιγμάτων με συμπύκνωση στο πεδίο. Με τη μέθοδο αυτή, η οποία περιλαμβάνει τη συμπύκνωση με κύλινδρο για τη δημιουργία εργαστηριακών δοκιμίων τα οποία υποβάλλονται στη συνέχεια σε τυπικές εργαστηριακές δοκιμές (δηλαδή της κηλίδας άμμου και του Βρετανικού εκκρεμούς), αποδείχθηκε ότι μπορεί να αξιολογηθούν αποτελεσματικά η συμπεριφορά διαφορετικών μιγμάτων ως προς την αντιολισθητική ικανότητα, καθώς και η αποδοτικότητα της μεθοδολογίας συμπύκνωσης. Επίσης, τα προκαταρκτικά πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν καλή συσχέτιση μεταξύ των επιφανειακών χαρακτηριστικών με εργαστηριακή συμπύκνωση και των αντίστοιχων που επιτυγχάνονται με συμπύκνωση στο πεδίο. Ως εκ τούτου, η μέθοδος αυτή μπορεί να ωφελήσει δίνοντας αφενός τη δυνατότητα στους μηχανικούς οδοστρωμάτων να ποσοτικοποιήσουν και να βελτιώσουν τις ιδιότητες που σχετίζονται με την αντιολισθητική ικανότητα των ασφαλτομιγμάτων κατά το στάδιο της μελέτης σύνθεσης και αφετέρου δίνοντας κατάλληλες πληροφορίες που μπορεί δυνητικά να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της ασφάλειας των χρηστών του οδικού δικτύου κατά το αρχικό στάδιο λειτουργίας του ασφαλτικού οδοστρώματος. Η υπόψη μεθοδολογία προσφέρει επίσης ωφέλιμες πληροφορίες στους κατασκευαστές ώστε να διαμορφώσουν μια αποτελεσματική μέθοδο συμπύκνωσης στο πεδίο, μέσω της οποίας θα επιτυγχάνεται συμμόρφωση με τις κατασκευαστικές απαιτήσεις.