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Doctoral Thesis

Zum Verformungsverhalten von Asphaltbeton unter Druck

Author(s): Huschek, Siegfried

Publication Date: 1983

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000281694

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ETH Library

Diss. ETH 7189

Zum Verformungsverhaltenvon Asphaltbeton

unter Druck

Abhandlung

zur Erlangung des Titels eines

Doktors der Technischen Wissenschaften

der

Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich

vorgelegt von

Siegfried Huschek

Dipl, - Ing, TH München

geboren am 13. August 1940

Deutschland

angenommen auf Antrag von

Prof. H. Grob, Referent

Prof. Dr. A. Rös/i, Korreferent

1983

- 5 -

KURZFASSUNG

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zum besseren Verständ¬nis des Verformungsverhaltens von Asphaltbeton unter Druck.Um die Vielfalt der in der Praxis gebräuchlichen Mischungenzu berücksichtigen, erstreckt sich die Untersuchung auf 17verschiedene Mischungen, die sich hinsichtlich der maximalen

Korngrösse, der Korngrössenverteilung, des Bindemittelgehal¬tes und zum Teil auch hinsichtlich des Verdichtungsgradesunterscheiden. Damit ist der gesamte, in der Praxis vorkom¬

mende, Bereich für Verschleiss- Ausgleichs- und Tragschich¬ten abgedeckt. Da die Verdichtungsart einen erheblichen Ein-

fluss auf die mechanischen Eigenschaften von Asphaltschichtenhat, wurde ausschliesslich mit Bohrkernen aus eingewalztenSchichten experimentiert. Alle HMT 40s-Prüfkörper wurden aus

einer Versuchsstrecke und alle TA 6- und TA 16-Prüfkörper wur¬

den aus Platten gezogen, die mittels Handwalze verdichtet wor¬

den waren.

Asphaltbeton wird als ein Dreiphasensystem betrachtet, beste¬

hend aus einem räumlichen Mineralskelett, der viskosen Mörtel¬

matrix und den luftgefüllten Hohlräumen. Infolge triaxialer

Druckbeanspruchung werden in diesem recht heterogenen Gemisch

die folgenden Verformungswiderstände mobilisiert:

- Initialwiderstand- viskoser Widerstand

- innere Reibung.Unter dieser Annahme kann das Stoffgesetz für das Verformungs¬verhalten von Asphaltbeton aus der MOHR-COULOMB'SCHEN Fliess¬

bedingung (Mineralskelett) und dem Stoffgesetz für idealvis¬

koses Verformungsverhalten nach NEWTON (Mörtelmatrix) abgelei¬tet werden. Die Gleichgewichtsbedingung zwischen der Schub¬

spannung t(q) und der Summe der Verformungswiderstände xVw in

einer um a geneigten Scherfläche gilt sowohl für den Kriech¬

ais auch für den Relaxationsvorgang.

Es wird davon ausgegangen, dass beim Kriechen zu Belastungsbe¬ginn nur viskoser Widerstand und möglicherweise Initialwider¬

stand wirken können, da zunächst alle Mineralteilchen von ei¬

ner Bindemittelhülle umgeben sind. Mit zunehmender Verformung

erfolgt jedoch eine Umlagerung der Spannungen von der viskosen

Mörtelmatrix auf das Mineralskelett, wodurch zunehmend Rei¬

bungswiderstand mobilisiert wird. Dieser Vorgang wird als

"Konsolidierung" bezeichnet. Für die mathematische Behandlungwird vereinfachend ein linearer Zusammenhang zwischen der in¬

neren Reibung tg<j> und der Dehnung e angenommen. Die gleicheHypothese kann auch für die Zunahme des Initialwiderstandes

gemacht werden. Somit sind zur Kennzeichnung der Verformungs¬eigenschaften drei bzw. vier Kenngrössen erforderlich:

- 6 -

nm effektive Viskosität der bituminösen Mörtelmatrix

ti0 Initialwiderstand zu Beginn der Belastung (in der Regelgilt für nicht vorbelastete Prüfkörper t^0 = 0)

c^= Ti/e1 Proportionalitätsfaktor betreffend den Initial¬

widerstand

Ci = Tj,/e-| Proportionalitätsfaktor betreffend den Wider¬

stand infolge innerer Reibung.

Die Gleichgewichtsbedingung zwischen der äusseren Beanspru¬

chung (O],02 =03) und den mobilisierten Widerständen liefert

eine Differentialgleichung für die Dehnungsgeschwindigkeit £.Die Lösung führt auf eine e-Funktion und entspricht der Ver¬

formungsgleichung für das KELVIN-Modell. Sie ermöglicht aber

nicht nur die Berechnung des zeitlichen Verlaufs der Verfor¬

mung sondern darüberhinaus auch Aussagen über den momentanen

Anteil der drei Widerstandskomponenten.

Um das Verformungsverhalten der Prüfkörper unter triaxialem

Druck experimentell untersuchen zu können, wurde eine Triax-

ialzelle entwickelt. Damit wurden Versuche unter den folgendenBelastungsbedingungen durchgeführt:

- Statischer Druck (einaxial, triaxial und isotrop). Es wur¬

den die Kriechkurven unter Belastung und die Rückformungnach Entlastung aufgezeichnet. Durch Messung der axialen

und radialen Dehnung konnte die Volumenänderung beobachtet

werden. Für den Fall des isotropen Drucks konnte der Kom¬

pressionsmodul bestimmt werden.

- Weggesteuerter Druck mit konstanter axialer Verformungsge¬schwindigkeit mit und ohne Seitendruck. Nach axialen Deh¬

nungen von 0,5 %, 1,0 % und 2,0 % wurden jeweils Pausen ein¬

gelegt, während denen der Prüfkörper relaxieren konnte bis

der viskose Anteil am Verformungswiderstand vollständig ab¬

gebaut war. Dieser Versuch wurde bei mindestens zwei ver¬

schiedenen Seitendrücken ar durchgeführt, so dass daraus

alle drei Komponenten des Verformungswiderstandes eindeutigbestimmt werden konnten.

- Einaxiale, sinusförmige Belastung im Druckbereich (mit und

ohne Seitendruck). Aus den dynamischen Versuchen wurde der

"komplexe Modul" |e*| und die irreversible Dehnung eirr er~

mittelt. Die Ergebnisse dienten in erster Linie dem Ver¬

gleich mit denjenigen aus den statischen Versuchen. So konn¬

te gezeigt werden, dass der Widerstand von Asphaltbeton ge¬

genüber bleibenden Verformungen auch durch statische Ver¬

suche mit ausreichender Sicherheit angesprochen und bewertet

wird. Aufgrund der guten Vergleichsmöglichkeiten der Ver¬

suchsergebnisse darf davon ausgegangen werden, dass die aus

statischen Versuchen gewonnenen Erkenntnisse über den Verfor¬

mungsmechanismus sinngemäss auf die dynamische Beanspruchungübertragen werden dürfen.

- 7 -

Durch diese Versuche wurden die Modellvorstellungen und das

Stoffgesetz qualitativ bestätigt. Die quantitative Bestäti¬

gung wurde durch die begrenzte Anzahl an Prüfkörpern (pro Mi¬

schung ca. 20 Stück) und durch die Streuung der Versuchsergeb¬nisse beeinträchtigt. Für mehrere Mischungen wurden durch Va¬

riation der Versuchsbedingungen die massgebenden Kenngrössen

(ci c^ nm tj_0) ermittelt. Aus dem Vergleich der Spreizungsbe-reiche für |E*| und für £irr geht hervor, dass Variationen in

der Zusammensetzung von Asphaltbeton auf die irreversiblen

Verformungen einen wesentlich grösseren Einfluss haben als

auf die viskoelastischen Verformungseigenschaften.

Für den Praktiker dürften die folgenden Ergebnisse interes¬

sant sein:

Die zahlreichen Versuche (ca. 320) ermöglichen eine relative

Quantifizierung der wichtigsten vier Einflüsse auf den Verfor¬

mungswiderstand von Asphaltbeton, nämlich Korngrössenvertei-

lung, Bindemittelgehalt, Verdichtungsgrad und Erweichungs¬

punkt des Bindemittels. Um die Bedeutung der Einflüsse ab¬

schätzen und vergleichen zu können wurde ein Nomogramm zur

Ermittlung einer "relativen Einflussziffer" aufgestellt. Der

hohe Verformungswiderstand relativ magerer Mischungen mit

grossem Maximalkorn ist deutlich erkennbar. Vom Gesichtspunktdes Verformungswiderstandes aus gesehen soll deshalb ange¬

strebt werden, eine bituminöse Strassenbefestigung von gege¬

bener Dicke, aus möglichst wenig Schichten und mit Mischungenmit möglichst grossem Maximalkorn aufzubauen. Dieses Prinzip

bewirkt zudem eine Verminderung des Bedarfs an bituminösem

Bindemittel und dürfte bei weiterhin steigenden Bindemittel¬

preisen auch von wirtschaftlicher Bedeutung sein.

- 9 -

RESUME

Le present travail de recherche est une contribution a une

meilleure comprihension du comportement de dgformation du

bton bitumineux sous compression. Pour tenir compte de la

diversitS des melanges utilisSs en pratique, 1'investigationcomprend 17 melanges diffSrents dont le diamgtre du grainmaximum, la granulometrie, la teneur en liant et partielle-ment aussi le degre de compactage varient. Le domaine de Va¬

riation des couches d'usure, des couches de liaison et des

couches de support est ainsi couvert. La mSthode de compac¬

tage ayant une influence considerable sur les proprietes me-

caniques, tous les essais furent executes avec des carottes

tirees de couches compactees par rouleau. Toutes les carot¬

tes de HMT 40s ont ete tirees d'une section d'essai et toutes

les carottes de TA 6 et TA 16 ont ätä tirees de plaques com¬

pactees avec un rouleau ä main.

Le bSton bitumineux est considSrö comme un systSme ä trois

phases qui consiste en un squelette spacial formfi par des

agrSgats, d'une matrice de mortier bitumineux et de vides

remplis d'air. Ce melange tr§s heterogSne mobilise sous com¬

pression triaxale les resistances de deformation suivantes:

- rSsistance initiale

- r§sistance visqueuse- frottements internes.

Basee sur cette hypothSse, la loi de d§formation d'un beton

bitumineux est dSrivee de la condition de rupture selon

MOHR-COULOMB (squelette mineral) et de la loi de deformation

visqueuse selon NEWTON (matrice du mortier bitumineux). La

condition d'Squilibre entre la contrainte de cisailement t(q)et la somme des resistances de deformation Xy^ dans une inter-

face de glissement inclin§e de a est valable pour le cas de

fluage sous Charge statique ainsi que dans le cas de la re-

laxation.

Puisque tous les agregats sont enrobes par le liant on partdu principe que le bSton bitumineux developpe au d§but d'une

dSformation uniquement une resistance visqueuse et eventuel-

lement aussi une rSsistance initiale. Avec une deformation

croissante, on assiste ä une redistribution des contralntes

de la matrice visqueuse sur le squelette mineral, ce quientraine un accroissement des frottements internes. Ce pheno-mSne est appele "consolidation". Pour simplifier le traite-

ment mathämatique, on admet une relation lineaire entre le

frottement interne tg4> et la deformation relative z. La meine

hypothäse est admise concernant la croissance de la resi¬

stance initiale. Trois valeurs, respectivement quatre, sont

ainsi nScessaires pour caracteriser la propriete de deforma¬

tion d'un beton bitumineux:

- 10 -

nm viscosite effective de la matrice de mortier

bitumineux

resistance initiale au debut du chargement

(pour des eprouvettes non prechargees on peutnormalement admettre t^0 = 0)

coefficient de proportionalitS concernant la

resistance initiale

c<j>= T<j>/el coefficient de proportionalite concernant la

resistance de frottement interne.

La condition d'equilibre entre les contraintes de compressionexternes (a^, 02 - 03) et les resistances internes mobilis§es,fournit une equation differentielle pour la vitesse de defor-

mation e. La Solution conduit ä une fonction-e qui correspondä 1'equation de deformation pour le modele de KELVIN. Elle

permet non seulement de calculer la courbe de deformation en

fonction du temps mais en plus eile donne aussi des informa-

tions concernant la repartition momentanSe des trois compo-

santes de resistance.

Une cellule triaxiale a äte developpee pour expörimenter le

comportementde deformation des eprouvettes sous compressiontriaxiale. Des essais ont etS executes avec les conditions de

Charge suivantes:

- Compression statique (uniaxiale, triaxiale, isotrope). La

deformation de fluage sous Charge ainsi que le deformation

reversible apr§s dScharge a etö enregistre. Le changementde volume est determine en mesurant les däformations axi¬

ales et radiales. En cas de compression isotrope le module

de compression peut etre calcule.

- Compression ä vitesse de deformation axiale constante avec

et sans compression laterale. Pour des dSformations axiales

de 0.5%, 1.0% et 2.0% 1'avancement a ete arret§ afin que

l'eprouvette puisse relaxe jusqu'ä la disparition complötede la resistance visqueuse. Afin de pouvoir determiner les

trois composantes de la resistance de deformation, l'essai

a etS exßcutg avec au moins deux compressions laterales

diffSrentes.

- Contrainte de compression uniaxiale sinusoidale (avec ou

sans compression laterale). Les essais dynamiques servent

ä dSterminer le "module complexe" |E*| et la deformation

irreversible £j.rr- Les resultats sont compares avec ceux

des essais statiques. On peut ainsi dSmontrer que la re¬

sistance du beton bitumineux ä des deformations irrever¬

sibles peut etre testee et evaluee par des essais statiquesavec une precision süffisante. Sur la base de la bonne

corrSlation des resultats on peut admettre que les connais-

sances acquises sur le mScanisme de deformation par essai

statique peuvent etre transmises en general au cas de sol-

licitation dynamique.

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- 12 -

ABSTRACT

This presentation is a contribution to the better understand-

ing of the deformation behaviour of asphalt concrete under

pressure. To take into consideration the variety of the mixes

used in practice, the investigation Covers 17 different mixes

which differ with regard to the maximum size of gravel, the

grading curve, the bitumen content and also partly with re¬

gard to the degree of compaction. In this way the entire area

of mixes used for wearing course, base course and road base

is covered. Since the method of compaction has a considerable

influence on the mechanical properties of asphalt layers,

only cores from rolled layers were used in the experiments.All HMT 40s specimens were taken out of a test section, and

all TA 6 and TA 16 specimens were taken from slabs which were

compacted by means of a hand roller.

Asphalt concrete is regarded as a three phase System, conist-

ing of a three dimensional particle skeleton, the viscous ma-

trix of bituminous mortar and the air-filled voids. As a re-

sult of triaxial compression the following resistances to

permanent deformation in this quite heterogenous mixture are

mobilized:

- initial resistance

- viscous resistance

- internal friction.

Under this assumption the law for the deformation behaviour

of asphalt concrete can be derived from the MOHR-COULOMB'S

yield condition (mineral particle skeleton) and the deforma¬

tion law for ideal viscous behaviour after NEWTON (bituminous

mortar matrix). The equilibrium condition between the shear

stress t(q) and the sum of the deformation resistance Ty^j in

an inclined shear plane applies to the creep as well as to

the relaxation process.

Since at first all mineral particles are coated with bitumen,it is assumed that only viscous resistance and possibly ini¬

tial resistance can act at the beginning of creep. With in-

creasing deformation however a transposition of the stress

from the viscous matrix to the mineral skeleton takes placedeveloping increased friction. This process is called "con-

solidation". The mathematical cinsideration is simplified bythe use of a linear relation between the internal friction

tg<j> and the strain e. The same hypothesis can be made also

for the increase of the initial resistance. Thus three, re-

spectively four, values are necessary for the characteriza-

tion of the deformation properties:

- 13 -

nm effective viscosity of the bituminous motar

matrix

x^0 initial resistance at the beginning of stress

(for specimens not being pre-loaded ti0 = 0)

Ci = Ti/ei coefficient concerning the initial resistance

c<j> = Td>/el coefficient concerning the resistance due to

internal friction.

The equilibrium condition between the outer stress (0^,02=03)and the developed resistances gives a differential equationfor the strain velocity i. The Solution leads to an e-func-

tion and corresponds to the deformation equation of the

KELVTN-model. It not only makes possible calculating the de¬

formation in function from time, but also Statements about

the instantaneous portion of the three components of resist¬

ance.

In order to examine the deformation of specimens under tri-

axial compression experimentally, a triaxial cell was devel¬

oped. Tests with this cell were made under the followingstress conditions:

- Static compression (uniaxial, triaxial and isotrop). Creepdeformation under compression and reversible deformation

after discharge were measured. By measuring the axial and

radial strain, change of volume can be determined. In case

of isotropic pressure the compression modulus can be deter¬

mined.

- Axial compression due to constant axial strain velocity(with and without additional lateral pressure). After axial

strain of 0.5%, 1.0% and 2.0%, pauses were made, duringwhich the specimen could relax until the viscous part of

the deformation resistance disappeared completely. This

test is carried out with at least two different lateral

pressures 0r, so that all three components of the deforma¬

tion resistance can be determined.

- Uniaxial, sinusoidal compression (with and without lateral

pressure). From this dynamic test the "complex modulus"

|E*| and the irreversible strain Eirr were determined. The

results were compared with those of the static tests. In

this way it is shown that the resistance of asphalt con-

crete against permanent deformation can be evaluated with

sufficient accuracy through static tests. Based on the good

correlation between the test results, it can be assumed,

that the knowledge about the deformation mechanism from

static tests can be transmitted accordingly to the case of

dynamic loading.

- 14 -

Through these tests the proposed model and the correspondingdeformation law were confirmed qualitatively. The quantita¬tive confirmation was impaired by the limited number of spec-imens (about 20 cores per mixture) and by the scattering of

the test results. Through Variation of the test conditions

the characteristic values (c± c^ nm Ti0) were determined

for several mixtures. Comparing the scattering of values |E*|and eirr f°r the same group of different mixtures, it be-

comes obvious, that variations in the composition of asphaltconcrete have a much bigger influence on the irreversible

deformation than on the viscoelastic deformation character-

istics.

The following results might be interesting for practice:

The numerous tests (about 320) allow to quantify relativelythe four most important influences on the resistance for per¬

manent deformation namely grading curve, bitumen content, de-

gree of compaction and softening point of the bitumen. A

nomogram was established in order to estimate and compare the

importance of the above mentioned influences with help of a

"relative coefficient". The high resistance to permanent de¬

formation of relatively lean mixtures with coarse grading be-

comes obvious. From the point of view of permanent deforma¬

tion resistance, the attempt should be made to build up a

given structure of asphalt pavement with as few layers as

possible and with mixtures as coarse as possible. In addi-

tion, this principle reduces the need of bitumen and istherefore of economical importance in case of further in-

creasing cost of bitumen.