Performance evaluation of low environmental impact asphalt concretes using the mechanistic empirical design method based on laboratory fatigue and permanent deformation models

The "sustainability" concept relates to the prolonging of human economic systems with as little detrimental impact on ecological systems as possible. Construction that exhibits good environmental stewardship and practices that conserve resources in a manner that allow growth and development to be sustained for the long-term without degrading the environment are indispensable in a developed society. Past, current and future advancements in asphalt as an environmentally sustainable paving material are especially important because the quantities of asphalt used annually in Europe as well as in the U.S. are large. The asphalt industry is still developing technological improvements that will reduce the environmental impact without affecting the final mechanical performance. Warm mix asphalt (WMA) is a type of asphalt mix requiring lower production temperatures compared to hot mix asphalt (HMA), while aiming to maintain the desired post construction properties of traditional HMA. Lowering the production temperature reduce the fuel usage and the production of emissions therefore and that improve conditions for workers and supports the sustainable development. Even the crumb-rubber modifier (CRM), with shredded automobile tires and used in the United States since the mid 1980s, has proven to be an environmentally friendly alternative to conventional asphalt pavement. Furthermore, the use of waste tires is not only relevant in an environmental aspect but also for the engineering properties of asphalt [Pennisi E., 1992]. This research project is aimed to demonstrate the dual value of these Asphalt Mixes in regards to the environmental and mechanical performance and to suggest a low environmental impact design procedure. In fact, the use of eco-friendly materials is the first phase towards an eco-compatible design but it cannot be the only step. The eco-compatible approach should be extended also to the design method and material characterization because only with these phases is it possible to exploit the maximum potential properties of the used materials. Appropriate asphalt concrete characterization is essential and vital for realistic performance prediction of asphalt concrete pavements. Volumetric (Mix design) and mechanical (Permanent deformation and Fatigue performance) properties are important factors to consider. Moreover, an advanced and efficient design method is necessary in order to correctly use the material. A design method such as a Mechanistic-Empirical approach, consisting of a structural model capable of predicting the state of stresses and strains within the pavement structure under the different traffic and environmental conditions, was the application of choice. In particular this study focus on the CalME and its Incremental-Recursive (I-R) procedure, based on damage models for fatigue and permanent shear strain related to the surface cracking and to the rutting respectively. It works in increments of time and, using the output from one increment, recursively, as input to the next increment, predicts the pavement conditions in terms of layer moduli, fatigue cracking, rutting and roughness. This software procedure was adopted in order to verify the mechanical properties of the study mixes and the reciprocal relationship between surface layer and pavement structure in terms of fatigue and permanent deformation with defined traffic and environmental conditions. The asphalt mixes studied were used in a pavement structure as surface layer of 60 mm thickness. The performance of the pavement was compared to the performance of the same pavement structure where different kinds of asphalt concrete were used as surface layer. In comparison to a conventional asphalt concrete, three eco-friendly materials, two warm mix asphalt and a rubberized asphalt concrete, were analyzed. The First Two Chapters summarize the necessary steps aimed to satisfy the sustainable pavement design procedure. In Chapter I the problem of asphalt pavement eco-compatible design was introduced. The low environmental impact materials such as the Warm Mix Asphalt and the Rubberized Asphalt Concrete were described in detail. In addition the value of a rational asphalt pavement design method was discussed. Chapter II underlines the importance of a deep laboratory characterization based on appropriate materials selection and performance evaluation. In Chapter III, CalME is introduced trough a specific explanation of the different equipped design approaches and specifically explaining the I-R procedure. In Chapter IV, the experimental program is presented with a explanation of test laboratory devices adopted. The Fatigue and Rutting performances of the study mixes are shown respectively in Chapter V and VI. Through these laboratory test data the CalME I-R models parameters for Master Curve, fatigue damage and permanent shear strain were evaluated. Lastly, in Chapter VII, the results of the asphalt pavement structures simulations with different surface layers were reported. For each pavement structure, the total surface cracking, the total rutting, the fatigue damage and the rutting depth in each bound layer were analyzed.

Il concetto di “sostenibilità” si riferisce allo sviluppo dei sistemi di supporto per la vita umana che minimizzino l’impatto sul sistema ambientale. Le opere che si inseriscono bene nel contesto ambientale circostante e le pratiche che rispettano le risorse in maniera tale da permettere una crescita e uno sviluppo a lungo termine senza impattare sull’ambiente sono indispensabili in una società moderna. Il progressi passati, presenti e futuri che hanno reso i conglomerati bituminosi materiali sostenibili dal punto di vista ambientale sono particolarmente importanti data la grande quantità di conglomerato usato annualmente in Europa e negli Stati Uniti. I produttori di bitume e di conglomerato bituminoso stanno sviluppando tecniche innovative per ridurre l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Per esempio il conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” (WMA), pur sviluppando le stesse caratteristiche meccaniche, richiede un temperatura di produzione minore rispetto a quella di un tradizionale conglomerato bituminoso a caldo (HMA) riducendo sensibilmente l’invecchiamento del legante. Anche il conglomerato additivato con polverino di gomma, ottenuto dalla frantumazione di pneumatici dismessi, è risultata essere un’alternativa eco-sostenibile al conglomerato stradale convenzionale. Oltretutto, l’utilizzo di questo additivo non è rilevante solamente dal punto di vista ambientale, costituendo materiale di risulta difficile da smaltire, ma anche per le proprietà meccaniche che lo stesso è in grado di conferire al conglomerato. L’obbiettivo principale di questa tesi è quello di dimostrare il duplice valore meccanico-ambientale di questi materiali innovativi, sottolineando come il concetto di sostenibilità, applicato alla progettazione delle infrastrutture viarie, non dipenda esclusivamente dai materiali impiegati. L’uso di materiali a basso impatto ambientale rappresenta solamente il punto di partenza della progettazione sostenibile. L’approccio ecocompatibile deve essere esteso anche ai metodi progettuali e alla caratterizzazione in laboratorio dei materiali al fine di conoscerne il comportamento e conseguentemente sfruttarne le potenzialità. La caratterizzazione volumetrica (Mix Design) e meccanica (Deformazioni Permanenti e Comportamento a fatica) di un conglomerato bituminoso è fondamentale e necessaria per una realistica previsione delle performance di una pavimentazione stradale. Una metodo progettuale avanzato ed efficiente potrebbe essere rappresentato dall’approccio Empirico-Meccanicistico (M-E). La progettazione Empirico-Meccanicistica consiste di un modello strutturale capace di prevedere gli stati tenso-deformativi all’interno della pavimentazione sotto l’azione del traffico e in funzione delle condizioni atmosferiche e di modelli empirici, calibrati sul comportamento dei materiali, che collegano la risposta strutturale alle performance della pavimentazione. Nel 1996 in California, per poter effettivamente sfruttare i benefici dei continui progressi nel campo delle pavimentazioni stradali, fu iniziato un estensivo progetto di ricerca mirato allo sviluppo dei metodi di progetto Empirico-Meccanicistici per le pavimentazioni stradali. Il risultato finale fu la prima versione del software CalME che fornisce all’utente tre approcci diversi di l’analisi e progetto: un approccio Empirico, uno Empirico - Meccanicistico classico e un approccio Empirico - Meccanicistico Incrementale - Ricorsivo. Questo dissertazione si focalizza sulla procedura Incrementale - Ricorsiva del software CalME basata su modelli di danno da fatica e accumulo di deformazioni permanenti ottenuti sperimentalmente attraverso una accurata caratterizzazione dei materiali in laboratorio. Tale procedura funziona per incrementi temporali successivi e, usando i risultati di ogni incremento temporale, ricorsivamente, come input dell’incremento temporale successivo, prevede le condizioni di una pavimentazione stradale per quanto riguarda il modulo complesso dei diversi strati, le fessurazioni superficiali dovute alla fatica, le deformazioni permanenti e la rugosità superficiale. Al fine di verificare le proprietà meccaniche delle miscele oggetto di studio e le reciproche relazioni in termini di danno a fatica e deformazioni permanenti una volta inserite nella sovrastruttura stradale per fissate condizioni ambientali e di traffico, la procedura sopracitata è stata adottata. I conglomerati bituminosi studiati, due tiepidi ed uno additivato con rubber, sono stati impiegati nella pavimentazione stradale come strato superficiale. Le performance delle pavimentazioni sono poi state confrontate in riferimento ad una pavimentazione contenente conglomerati tradizionali. Le tre tipologie di conglomerato oggetto di studio sono: un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” a gradazione “chiusa” (DGWMA), un conglomerato bituminoso modificato con polverino di gomma a gradazione “aperta” (GGRAC) e un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” additivato con SBS a gradazione aperta (PGGWMA). I primi due Capitoli sintetizzano gli step necessari a soddisfare i principi fondamentali alla progettazione sostenibile delle infrastrutture viarie. Nel primo Capitolo è stato approfondito il tema delle miscele di conglomerato eco-compatibili. In particolare sono state descritte dettagliatamente le proprietà dei Conglomerati tiepidi ad “alta lavorabilità” e dei Conglomerati con polverino di gomma. Inoltre è stato introdotto il problema dei metodi di progettazione delle sovrastrutture stradali flessibili, dai metodi razionali ai metodi Empirico Meccanicistici. Nel Capitolo due si è sottolineata l’importanza della caratterizzazione in laboratorio dei materiali di uso stradale basata su una appropriata selezione degli stessi e su uno studio di performance. Nel Terzo Capitolo, è stato introdotto il Californian Mechanistic Empirical design Software (CalME) attraverso una dettagliata analisi dei modelli alla base delle differenti procedure di progettazione in dotazione. Il Capitolo Quattro introduce il programma sperimentale e descrive le procedure di prova adottate fini alla caratterizzazione meccanica dei materiali. I risultati sperimentali a Fatica ed a Rutting ed i modelli di performance delle miscele oggetto di studio sono stati estrapolati nei Capitoli Cinque e Sei. In ultimo, nel Capitolo Sette, attraverso l’ausilio del CalME e dei modelli comportamentali estrapolati nei capitoli precedenti, sono riportati i risultati delle simulazioni effettuate con le diverse pavimentazioni in esame. Per ogni sovrastruttura sono state analizzate le seguenti forme di ammaloramento: superficie totale fessurata, ormaiamento totale e danno da fatica e ormaiamento relativo ad ogni strati legato.