Διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς ασφαλτικών οδοστρωμάτων

Abstract

The consistent performance monitoring at any time t of a pavement’s service lifetime is a prerequisite for conducting pavement structural assessment. Regularly, the use of advanced systems for Non-Destructive Testing (NDT) that allows a non-invasive pavement assessment, has prevailed during the last decades. In particular, pavement response data collected with the Falling Weight Deflectometer (FWD) system and pavement stratigraphy data estimated through geophysical inspection surveys with the Ground Penetrating Radar (GPR) are the two main data pillars required for pavement analysis. On this context, the most commonly used assumption for pavement analysis is the Multi-Layered Elastic Theory (MLET), where all pavement materials are considered as linear elastic. A multitude of design methods and analysis methodologies are based on MLET, something that explains the consistent research interests of the worldwide scientific community towards integrating information obtained from the aforementioned well-established NDT systems (i.e. FWD and GPR) into the analysis (system integration/data integration). However, the validity of such methodologies or related models is often controlled by limitations faced during the experimental data used for the development of these approaches (e.g. local materials effect, influence of environmental conditions, etc.). Another important challenge that pavement engineers face during pavement performance assessment in the field, especially at project level where pavement redesign needs are assessed, concerns the assumptions made about the mechanical characterization of pavement materials. For Asphalt Concrete (AC) materials in particular, the laboratory-scale research progress for their viscoelastic behavior (because of the binders’ viscous nature) is inconsistent with the potential of using such advanced research outcomes into field-based analysis. The majority of the existing analyses from previous researches focusing on the AC viscoelastic behavior relate either to specialized material behavioral aspects (e.g. binder aging) or to optimizing pavement design processes (e.g. establishing suitable values for material stiffness). There is limited research focusing on the in-situ performance assessment of existing pavements. Therefore, investigating the contribution of the materials’ mechanical behavior on pavement performance in the field always appears as an "open" challenge.Taking into account the above issues, the dissertation aims to contribute towards the process of structural evaluation of asphalt pavements through optimizing the use of both laboratory and field data collected through existing NDT systems, as well as the use of available analysis tools. The investigation focuses on two interrelated research axes. The first one concerns individual optimizations within pavement evaluation processes through the integration of data collected with NDT systems (system integration/data integration), a process that is compatible with MLET, while the second one focuses on the adoption of AC viscoelastic behavior and the evaluation of its contribution to the accuracy of asphalt pavement analysis. The outline of the dissertation includes a state-of-the art overview in respect to the mechanical characterization of pavement materials, pavement evaluation processes and existing research findings from the contribution of the AC viscoelasticity on pavements performance. The experimental process follows with each individual research step, together with results interpretation and summary conclusions.

Προϋπόθεση της διενέργειας δομικής αξιολόγησης οδοστρωμάτων αποτελεί η συντεταγμένη παρακολούθηση της συμπεριφοράς τους σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή t του χρόνου λειτουργίας τους. Ως πάγια τακτική στη διαδικασία αυτή, έχει κυριαρχήσει η αξιοποίηση προηγμένων συστημάτων για τη διενέργεια μη καταστρεπτικών δοκιμών (Non-Destructive Testing, NDT) που επιτρέπουν την αξιολόγηση χωρίς τη διατάραξη της δομής των οδών. Διαχρονικά, στοιχεία μηχανικής απόκρισης οδοστρωμάτων που συλλέγονται με το σύστημα του παραμορφωσίμετρου πίπτοντος βάρους (Falling Weight Deflectometer, FWD) και στοιχεία στρωματογραφίας που προκύπτουν από αναλύσεις στοιχείων συλλογής με το γεωραντάρ (Ground Penetrating Radar, GPR) αποτελούν τις δύο βασικές πληροφορίες που απαιτούνται για την ανάλυση δομών οδοστρώματος. Στο πλαίσιο αυτό, η συνηθέστερα χρησιμοποιούμενη παραδοχή ανάλυσης είναι η θεωρία των επάλληλων ελαστικών στρώσεων (Multi-Layered Elastic Theory, MLET), όπου όλα τα υλικά του οδοστρώματος νοούνται ως ελαστικά, ισότροπα και ομογενή. Πλήθος μεθοδολογιών ανάλυσης οδοστρωμάτων βασίζεται σε αυτή, γεγονός που εξηγεί το διαχρονικό ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας στην ανάπτυξη μεθόδων και μοντέλων που συνδυάζουν τις πληροφορίες από τα διαφορετικά NDT συστήματα (κυρίως των FWD και GPR) σε ένα ενιαίο πλαίσιο ανάλυσης (system integration/data integration) προκειμένου να παράγεται αξιοποιήσιμη πληροφορία. Ωστόσο, η ισχύς αυτών των μεθοδολογιών ή συναφών μοντέλων συχνά δεσμεύεται από περιορισμούς που αφορούν στα χρησιμοποιούμενα πειραματικά στοιχεία κατά την ανάπτυξη αυτών των προσεγγίσεων (πχ τοπικά υλικά, επιρροή περιβαλλοντικών συνθηκών, …). Μία άλλη σημαντική πρόκληση που αντιμετωπίζει ο μηχανικός οδοστρωμάτων στο πλαίσιο της αξιολόγησης των οδοστρωμάτων στο πεδίο, ιδιαίτερα σε επίπεδο έργου (project-level) όπου ενδιαφέρει η αξιολόγηση των αναγκών επανασχεδιασμού τους, αφορά στις παραδοχές που γίνονται για τη μηχανική συμπεριφορά των υλικών του οδοστρώματος. Ειδικότερα για τα ασφαλτομίγματα, η πρόοδος που σημειώνεται στις έρευνες που γίνονται σε κλίμακα εργαστηρίου για την ιξωδοελαστική τους συμπεριφορά (λόγω της εξάρτησής της από την ιξώδη φύση των συνδετικών υλικών) δεν συνάδει με δυνητική εφαρμογή και αξιοποίηση των ερευνητικών ευρημάτων σε κλίμακα πεδίου. Η πλειονότητα των αναλύσεων από προϋπάρχουσες έρευνες αφορά είτε σε εξειδικευμένα ζητήματα συμπεριφοράς υλικών, είτε σε βελτιστοποίηση των διαδικασιών σχεδιασμού οδοστρωμάτων. Περιορισμένες είναι οι σχετικές έρευνες που επικεντρώνονται στην επιτόπου αξιολόγηση της συμπεριφοράς υφιστάμενων οδοστρωμάτων. Επομένως, η συμβολή των χαρακτηριστικών των υλικών στη μηχανική συμπεριφορά του οδοστρώματος στο πεδίο αποτελεί μία διαχρονική και «ανοικτή» πρόκληση.Λαμβάνοντας υπόψη τα ανωτέρω, αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η συμβολή στη διαδικασία δομικής αξιολόγησης ασφαλτικών οδοστρωμάτων μέσω βελτιστοποίησης της χρήσης στοιχείων εργαστηρίου και στοιχείων συλλογής στο πεδίο από υφιστάμενα μη καταστρεπτικά συστήματα καθώς και χρήσης διαθέσιμων εργαλείων ανάλυσης. Η διερεύνηση επικεντρώνεται σε δύο αλληλένδετους ερευνητικούς άξονες. Ο πρώτος αφορά σε επιμέρους βελτιστοποιήσεις της διαδικασίας της δομικής αξιολόγησης μέσω ενσωμάτωσης στοιχείων συλλογής με NDT συστήματα στο πλαίσιο της ανάλυσης οδοστρωμάτων, διαδικασία η οποία είναι συμβατή με τη MLET, ενώ ο δεύτερος εστιάζει στην υιοθέτηση της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς των ασφαλτομιγμάτων και στην αξιολόγηση της συμβολής της στην ακρίβεια εκτίμησης της μηχανικής συμπεριφοράς και της φθοράς των ασφαλτικών οδοστρωμάτων. Η δομή της διατριβής περιλαμβάνει επισκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας αναφορικά με τη μηχανική συμπεριφορά των υλικών του οδοστρώματος, τη διαδικασία αξιολόγησης ασφαλτικών οδοστρωμάτων και των διαθέσιμων ερευνητικών ευρημάτων από τη συμβολή της ιξωδοελαστικότητας των ασφαλτομιγμάτων στη συμπεριφορά οδοστρωμάτων. Ακολουθεί το σύνολο των αναλύσεων μαζί με τα σχετικά αποτελέσματα, ενώ τέλος συνοψίζονται και αξιολογούνται τα συμπεράσματα που προέκυψαν.