Ανάπτυξη αλγορίθμων εκτίμησης του δυναμικού μέτρου δυσκαμψίας ασφαλτομιγμάτων

Abstract

The mechanical characterization of an asphalt mix is expressed through the stiffness modulus, which is a key parameter in characterization, ranking and design of mixes as well as in pavement design and therefore in the prediction of pavement performance, quality assurance procedures of new pavements and estimation of the structural condition of in service pavements. Dynamic modulus (E*) is a fundamental property of the asphalt mix since it captures the viscoelastic behavior of the asphalt mix for a wide range of temperature and loading frequencies. Several methodologies have been developed for the determination of stiffness modulus, based on various laboratory experimental setup. According to recent developments and researches the experimental setup widely used is the uniaxial compression test.The need of specialized equipment on the one hand, and its time consuming determination on theother, led to the development of international prediction algorithms for the estimation of E*, with the aim to substitute the laboratory experimental setup. Most recent, on a limited scale, international algorithms were developed in the frame of the new AASHTO method (MEPDG) configuration and are based on experimental determined values of E* through uniaxial compression setup. However, the applicability of these algorithms on various types of asphalt mixes is nor plainly defined and therefore, is investigated in the present thesis.More specifically, the investigation is based on the evaluation of international existing predictionalgorithms on experimental mixes, whose composition is in accordance with national and international standards. The evaluation results are exploited for the configuration of a methodological framework for the development of new algorithms, with the aim to substitute the E* determination in the lab, with a quick but reliable procedure for the estimation of the E*. Valuable tool in the present investigation was the science of statistics, which was utilized for the analysis of numerous data included in the data base that was developed for the research needs of the present study.Τhe capping stone of the present research is the introduction of the estimated through predictionalgorithms E* as an asphalt mix performance indicator. This indicator can be widely implementedaiming to the optimization not only of the asphalt mix design, but also of the asphalt mix behavioranalysis due to fatigue, in the frame of analytical design procedures. An asphalt mix performanceindicator that is a mechanical characteristic of the asphalt mix, attaches further benefits in theprocedures in the frame of pavement maintenance management, since it is possible to estimatepavement behavior in the long term. This proposal is directly applicable, under certain conditions, to pavement concession systems, like PPP (Public Private Partnership), in which pavement maintenance and preservation is an integral part, and can be extended to serve as a guide to every pavement system.

Το μέτρο δυσκαμψίας ενός ασφαλτομίγματος, μέσω του οποίου εκφράζεται η μηχανική συμπεριφορά του, αποτελεί ιδιαίτερα σημαντική παράμετρο σε θέματα που σχετίζονται με το χαρακτηρισμό των μιγμάτων, την κατηγοριοποίησή τους, το σχεδιασμό τους, τη διαστασιολόγηση των οδοστρωμάτων και κατά επέκταση την πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους, τις διαδικασίες διασφάλισης της ποιότητας νέων οδοστρωμάτων και εκτίμηση της δομικής κατάστασης εν λειτουργία οδοστρωμάτων. Το δυναμικό μέτρο δυσκαμψίας (Ε*) του ασφαλτομίγματος αποτελεί θεμελιώδες μηχανικό χαρακτηριστικό και ως εκ τούτου περιγράφει τη συμπεριφορά του ασφαλτομίγματος για ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και συχνοτήτων φόρτισης. Για τον προσδιορισμό του Ε* στο εργαστήριο έχουν αναπτυχθεί ποικίλες πειραματικές διατάξεις. Σύμφωνα με τις νεότερες εξελίξεις και έρευνες διαφαίνεται ότι η δοκιμή της μονοαξονικής θλίψης δημιουργεί ισχυρές προϋποθέσεις πρόκρισης των υπολοίπων μεθόδων.Δεδομένης της ανάγκης ύπαρξης ειδικού εργαστηριακού εξοπλισμού για τον προσδιορισμό του Ε* στο εργαστήριο καθώς και της χρονοβόρας διαδικασίας, έχουν αναπτυχθεί διεθνώς αλγόριθμοι με στόχο την υποκατάσταση των πειραματικών διατάξεων. Οι νεότεροι σε περιορισμένη κλίμακα διεθνείς αλγόριθμοι αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο των διαδικασιών για τη διαμόρφωση της νέας μηχανιστικής- εμπειρικής μεθόδου διαστασιολόγησης AASHTO (MEPDG: Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide) και βασίζονται στα αποτελέσματα της εργαστηριακής δοκιμής της μονοαξονικής θλίψης. Πλην όμως, η δυνατότητα εφαρμογής των αλγορίθμων αυτών σε ποικίλους τύπους μιγμάτων δεν ορίζεται σαφώς και ως εκ τούτου αποτελεί αντικείμενο ιδιαίτερου προβληματισμού και κατ’ επέκταση διερεύνησης και εμβάθυνσης της παρούσας έρευνας.Πιο συγκεκριμένα, η διερεύνηση βασίζεται στην αξιολόγηση των διεθνών αλγορίθμων μέσω του ελέγχου της προσαρμογής τους σε πειραματικά μίγματα, η σύνθεση των οποίων είναι σύμφωνη με εθνικές και διεθνείς προδιαγραφές. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης αξιοποιούνται για τη διαμόρφωση ενός μεθοδολογικού πλαισίου όσον αφορά στην ανάπτυξη νέων αλγορίθμων με στόχο την υποκατάσταση του προσδιορισμού του Ε* στο εργαστήριο, από μία γρήγορη αλλά και αξιόπιστη διαδικασία εκτίμησης του Ε*. Στην όλη διερεύνηση πολύτιμο εργαλείο αποτέλεσε η επιστήμη της στατιστικής, η οποία εφαρμόστηκε για την ανάλυση των πολυπληθών στοιχείων της βάσης δεδομένων που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες της παρούσας έρευνας.Επιστέγασμα της διερεύνησης αποτελεί η πρόταση για την εισαγωγή του Ε* που προκύπτει από τους νέους αλγόριθμους σαν δείκτη συμπεριφοράς του ασφαλτομίγματος (performance indicator). Ο δείκτης αυτός δύναται να αξιοποιηθεί σε πλήθος εφαρμογών που σχετίζονται αφενός με το σχεδιασμό του μίγματος και αφετέρου με τις διαδικασίες ανάλυσης της συμπεριφοράς σε κόπωση του ασφαλτομίγματος στο πλαίσιο του αναλυτικού υπολογισμού και τη διάρκεια ζωής του οδοστρώματος. Η πρόταση αυτή είναι άμεσα υλοποιήσιμη, υπό προϋποθέσεις, σε έργα Συστημάτων Παραχώρησης (PPP), όπου η διαχείριση της συντήρησης είναι αναπόσπαστο σκέλος και μπορεί να επεκταθεί και να αποτελέσει οδηγό και σε άλλα συστήματα έργων οδοστρωμάτων.