Fissuration à basse température et Enrobés bitumineux à haute performance Bill Buttlar, Glen Barton Chair University of Missouri-Columbia
HPAC Workshop ETS, Montreal 9/30/2016
Plan de la présentation
• Introduction • Essais à basse température DC(T) • Développement du modèle ILLI-TC • Méthode Hamburg-DC(T) • Études de cas: enrobés à haute performance • Recommendations sur les enrobés haute
performance à basse température
3
Mizzou Asphalt Pavement Innovation Lab (MAPIL)
MAPIL
Programmes académiques
Industrie
Agences publiques
Partenaires académiques
Autres partenaires
Laboratoires affiliés
4
Mizzou Asphalt Pavement Innovation Lab (MAPIL)
MAPIL
Superpave Binder Lab Superpave Mix Design Lab
Sustainable Asphalt Lab Infrastructure Advanced/Innovative Performance Testing Lab – DC(T), IDT, Hamburg, Universal Test Machine, Advanced
Binder Tests (DMA, FTIR), Innovation/Maker Lab Area
Agences publiques MoDOT, Cities, FHWA, NCHRP, OMP/Airports, FAA, LRS, NSF,
AF, Army, IFSTTAR, EMPA
Industrie MAPA, NAPA, Asphalt
Institute, Road Science, MWV, Marathon, Seneca, Kraton, HRG, Southwind
RAS, Reliable, Saint-Gobain, Agg. Prod.,
Colas, Troxler, Test Quip, HMA Lab Supply, Instrotek
Partenaires académiques Rolla, UIUC, TAMU, GT, UT, Arkansas, Iowa State, UM, MTU, PSU, UC Davis, UMass,
Auburn, KTH, URI, Nottingham, ENTPE, TU Delft, Parma
Programmes académiques Senior/grad Asphalt Materials and Design, Grad Advanced Asphalt/Research, Online
Course/Training/Professional Education, Collaboration with Other Courses, Educational Thrusts (Sustainable Infrastructure Materials, Smart Cities, New Materials), Maker Lab
Laboratoires affiliés Concrete, Soils,
Geosynthetics, Materials Science, NDT, Composite
Materials, Chemistry, Trans. Systems, Smart City,
Computational Mechanics, Simulation
Autres partenaires City Digital, National Labs, Ill. State Toll Hwy Auth., NCAT,
WRI
Orniérage – Sous le contrôle de l’essai Hamburg……
0
2
4
6
8
10
12
14
16
180 5000 10000 15000 20000
Rut D
epth
(mm
)
Number of Wheel Passes
Example Hamburg Profiles
Passing
Failing
12.5mm Max. Rut Depth
500C
6
….Fissuration….pas vraiment…..
- Si ce n’est pas résistant, ce n’est pas durable.
Reflective
Block Reflective/Thermal
Disk-Shaped Compact Tension - DC(T)
Plan de fissuration
Motivation – mesurer l’énergie de fissuration, échantillons
cylindriques, assurer la répétabilité, exécuter un réel
essai de fissuration
Basé sur ASTM E399 – Géométrie légèrement modifiée
pour tenir compte des différences dues aux
comportements des enrobés avec acier
Genesis was NSF GOALI study on reflective cracking: UIUC-
NSF-Koch (2004) Wagoner, M. P., Buttlar, W. G., and G. H. Paulino, “Disk-Shaped Compact Tension Fracture Test: A Practical Specimen Geometry for Obtaining Asphalt Concrete Fracture Properties,” Experimental Mechanics, Vol. 45, No. 3, pp. 270-277, 2005.
Déformation induite via une tige de chargement
en acier
8
CMOD Clip Gage Spring Mounted onto
Knife-Edge Gage Points
CMOD = Crack Mouth Opening Displacement
Évolution de l’ouverture de la
fissure
Essais préliminaires DC(T) à U. of
Illinois
Essais DC(T)
• Durée de l’essai: moins de 10 minutes • Chargement de l’éprouvette et ensuite,
mise en marche de l’appareil • Valeur de l’équipement: ~ $49 000 USD • Prise électrique de 110V Test Quip DC(T)
Résultats de l’étude DC(T)
11
PGLT + 10oC
Field-Aged Cores (Assumed Long-Term Aged)
SCB évalué, Univ. of MN a trouvé un haut coefficient de variation et une faible correlation sur chantier (p/r référence de base)
12
Spécifications basées sur la fissuration thermique DC(T)
Source: http://www.cts.umn.edu/Publications/ResearchReports/reportdetail.html?id=2178 Implémentation: Minnesota, Iowa, Wisconsin, Chicago DOT, O’Hare
Low Temperature Cracking
TC Model Stress Intensity Factor
Paris ‘Law’
Crack amount model
Ancien modèle TC vs. ILLI-TC
13
ILLI-TC Éléments finis basés sur un modèle
de prédiction de fissuration thermique avec zone cohésive
Stress Intensity Factor Far-field stress at depth of crack
Current crack length
)99.145.0( 56.00CK +=σ
Change in crack depth
Change in stress intensity factor Fracture parameters
nKAC )(∆=∆
La quantité de fissuration est une fonction de la probalité que la profondeur de la fissure soit équivalente ou supérieure à l’épaisseur de la couche de surface
E1 E5
τ1 τ5
Low Temperature Cracking
Modèle de la zone de cohésion bilinéaire
14
Cracking Cohesive Zone (Softening/Damage)
True crack tip Cohesive crack tip
δc
σt
tσ
Cδ
Fracture Energy = f(area)
Trac
tion
(MPa
)
Displacement Jump (mm)
Unloading
Reloading
Bilinear CZM (Song et al., 2006)
Low Temperature Cracking
Formulation viscoélastique FE Recursive-incremental time integration scheme
15
( ) ( ) ( )'
'
'' '
'
,, ,
t t
t
x tx t C x dt
tε
σ ξ ξ=
=−∞
∂= −
∂∫ ( ) ( ) ( ) ( ), Rd d dξ ξ ξ ξ= × +σ K x ε σ
T(t)
x
y
Low Temperature Cracking 10/16/2016 18
Thermal Stress in Longitudinal Direction near the Crack Path (MPa)
Thermal Stress in Longitudinal Direction near the Crack Path (MPa)
Thermal Stress in Longitudinal Direction near the Crack Path (MPa)
Example de résultats de la simulation ILLI-TC
Diagrame “Performance-Space” 0
5
10
15
20
250 200 400 600 800 1000 1200
Ham
burg
Rut
Dep
th (m
m)
DC(T) Fracture Energy (J/m2)
Mélange performant (SMA, traffic lourd)
Mélange mou (contrôle de la remontée des fissures)
Mauvais mélange (Sans surface, traffic faible, ou usage temporaire)
Mélange rigide (Couche de base d’une chaussée pleine épaisseur)
Diagrame “Performance-Space” : Zones
0
5
10
15
20
250 200 400 600 800 1000 1200
Ham
burg
Rut
Dep
th (m
m)
DC(T) Fracture Energy (J/m2)
Mauvais mélange, non conforme
Mélange mou, Non conforme
Conforme, Trafic faible, modéré et élevé
Mélange rigide, non conforme
Conforme, faible traffic seulement
Conforme, Trafic faible & modéré
12.5
400 460 690
Bitume plus mou, sans polymère
0
5
10
15
20
250 200 400 600 800 1000 1200
Ham
burg
Rut
Dep
th (m
m)
DC(T) Fracture Energy (J/m2)
Un bitume plus mou n’a pas aidé, Coupable: faible performance du
granulat
Mélange rigide, non conforme
PG 58-28
PG 64-22
Ajustement du mélange: Supposition de la modification du liant
0
5
10
15
20
250 200 400 600 800 1000 1200
Ham
burg
Rut
Dep
th (m
m)
DC(T) Fracture Energy (J/m2)
Grade très modifié
Modifié, Plus rigide
Grade très modifié
Modifié, Grade plus mou
Données “Performance-Space” préliminaires pour l’Illinois: Ça se comporte bien?
0
5
10
15
20
250 200 400 600 800 1000 1200
Ham
burg
Rut
Dep
th (m
m)
DC(T) Fracture Energy (J/m2)
Sans surprise, tendance vers les
mélanges plus rigides
Mélange rigide, n/c
Conforme
Bas Mod lourd traffic
Mauvais mélange, n/c
Mélange mou, non conforme
Les SMA
0
5
10
15
20
250 200 400 600 800 1000 1200
Ham
burg
Rut
Dep
th (m
m)
DC(T) Fracture Energy (J/m2)
Ces trois mélanges sont des
SMA
Mélange rigide, n/c
Conforme
Bas Mod lourd traffic
Mauvais mélange, n/c
Mélange mou, non conforme
Mélange avec un fort dosage en bitume recyclé (ABR - Asphalt binder replacement)
0
5
10
15
20
250 200 400 600 800 1000 1200
Ham
burg
Rut
Dep
th (m
m)
DC(T) Fracture Energy (J/m2)
N90, 28.6% ABR, 2.4% BPF, haute teneur en polymères, mélange à chaud
N70, 29.8% ABR, 6.2% BPF, bitume mou, mélange à chaud
N90, 28.6% ABR, 3.0% BPF, Haute teneur en polymères
N30, 67% ABR, bitume très mou, mélange à chaud
7 chaussées à péage avec mélanges SMA – Construction 2008 – 2012, Échantillonné 2015
31
A
B C
D
E
F
G
Détails sur les SMA carottés & évalués
32
Localisation Année pose
Grade de bitume ABR % Épaisseur
surface Type de gros
granulat
A. I-90 travée ouest Rockford 2009 PG 76-22 GTR 14 2” Cr. Gravel
B. I-90 travée est proche Rockford 2008 PG 76-22 GTR 16 2” Diabase
C. I-90 travée est proche Newberg Rd 2009 PG 76-22 SBS 36* 2” Quartzite
D. I-90 travée ouest near Rt. 25 / Elgin 2011 PG 70-28 SBS 33* 1.75” Quartzite
E. I-88 travée est À l’est de DeKalb 2012 PG 70-28 SBS 37* 1.5” Cr. Gravel
F. I-355 travée nord à 63rd St. 2009 PG 76-22 GTR 0 1.75” Steel Slag
G. I-294 travée nord, N. of Cermak 2012 PG 70-28 SBS 31* 2” Quartzite
* Avec BPF
Modèle de fissuration thermique ILLI-TC
33
Table 2. Critical events as predicted by ILLI-TC
Section Cores Location
Input Output
Fracture Energy (J/m2)
Peak Load (kN)
Calculated Tensile Strength (MPa)
Peak Tensile Stress (MPa)
Peak Tensile Stress/ Tensile strength
(%)
Critical Events
A I-90 WB in Rockford 1275 3.38 4.92 1.15 23.4 0
B I-90 EB in Rockford 1176 2.76 4.01 0.96 23.9 0
C I-90 EB near Newberg Rd 1003 3.61 5.25 3.53 67.2 0
D I-90 WB in Rt. 25 in Elgin 1340 4.10 5.96 1.09 18.3 0
E I-88 EB, East of DeKalb 1038 2.47 3.59 2.72 75.8 0
F I-355 NB at 63rd St. 1135 3.64 5.29 2.87 54.3 0
G I-294 NB, N. of Cermak Toll 1222 2.84 4.13 2.32 56.2 0
IL Tollway SMA: ILLI-TC Modeling
34
Section Cores Location
Input Output
Fracture Energy (J/m2)
Peak Load (kN)
Calculated Tensile Strength (MPa)
Peak Tensile Stress (MPa)
Peak Tensile Stress/ Tensile strength
(%)
Critical Events
A I-90 WB in Rockford 1275 3.38 4.92 1.15 23.4 0
B I-90 EB in Rockford 1176 2.76 4.01 0.96 23.9 0
C I-90 EB near Newberg Rd 1003 3.61 5.25 3.53 67.2 0
D I-90 WB in Rt. 25 in Elgin 1340 4.10 5.96 1.09 18.3 0
E I-88 EB, East of DeKalb 1038 2.47 3.59 2.72 75.8 0
F I-355 NB at 63rd St. 1135 3.64 5.29 2.87 54.3 0
G I-294 NB, N. of Cermak Toll 1222 2.84 4.13 2.32 56.2 0
Graphique Hamburg-DC(T): Routes à péage SMA
0
5
10
15
20
250 200 400 600 800 1000 1200
Ham
burg
Rut
Dep
th (m
m)
DC(T) Fracture Energy (J/m2)
I-90 WB in Rockford
I-90 EB in Rockford
I-90 EB near Newberg Rd
I-90 WB in Rt. 25 in Elgin
I-88 EB, East of DeKalb
I-355 NB at 63rd St.
I-294 NB, N. of Cermak Toll
Suggests use of softer binder, w/ same UTR (PG spread)
36
Mélanges à haute énergie de rupture pour le contrôle de la remontée de fissures: ORD 9R Project
Accelerated Pavement Study (ATLAS)
ORD Solution: Ultra-high fracture energy mixtures, 850 - 1,300 J/m2
Quelques vieilles pensées, mais pertinentes, sur la sollicitation
thermique du Strategic Highway Research
Program, vers 1993
Typical Pavement Stress versus Time for PTI Section 38 Relation typique (contrainte-temps) du
pavage
Relation typique (contrainte-profondeur) du pavage
Résultat: Quand >= 50mm sous la surface, solliocitation thermique < 50% Donc, peut sécuritairement utiliser des matériaux à haut module pour des climats froids.
Recommendations
• Pour les couches inférieures en climat froid, des mélanges plus rigides peuvent être employés: – Besoin de considérer le reflective cracking – Fatigue doit être tenue en compte dans le design
• Pour les mélanges de surface, utiliser un design équilibé: – Pour un usage innovant, utiliser un modèle adapté (i.e.,
DC(T) plus ILLI-TC) – Les mélanges SMA à chaud + GBR + BPF + Caoutchouc
peuvent bien performer en surface en climat froid (l’utilisation de BPF & de caourtchouc requière plus d’experience)
45
Merci de votre attention !
Questions/Commentaires