18
PORTUGAL ENGINEERING INSTITUTE OF COIMBRA ISEC FCTUC UNIVERSITY OF COIMBRA POLYTECHNIC OF VISEU Silvino Capitão António Baptista Luís Picado-Santos Grupo de Investigação em Vias de Comunicação Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests ESTV

Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

PORTUGAL

ENGINEERING INSTITUTE OF COIMBRA

ISEC FCTUC

UNIVERSITY OF COIMBRA

POLYTECHNIC OF VISEU

Silvino Capitão António Baptista Luís Picado-Santos

Grupo de Investigação emVias de Comunicação

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

ESTV

Page 2: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

High Modulus Bituminous Mixtures (HiMBM): 

BinderType: 10/20 pen bitumenContent: 4.8% to 5.8%

AggregateType: graniteMax. Size: 20 mm

Pavement LayerBase 

Unconventional bituminous mixtures tested

2

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

Hot‐mix Bituminous Recycled in plant (HMR): 

BinderType: 35/50 pen + recoveredContent: 4.1% to 4.4%

AggregateType: limestone mainly Max. Size: 25 mm

% of recycled mixture 20, 30 and 40%

Pavement LayerBase 

Page 3: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

Mechanical performance evaluation: Stiffness Modulus + Phase Angle

3

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

σ(t)= σ0 sin(ωt) 

ε(t)= ε0 sin(ωt ‐ φ) 

Stiffness Modulus

StressStrain

Smix =

Phase Angleti – time between σ(t) and ε(t)tp- loading cycle time

360 p

i

tt

degree

Controlled displacement

Page 4: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

Mechanical performance evaluation: Fatigue behaviour

4

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

BituminousLayers

Nadm

εt

Number of loading cycles

Stra

in (ε

t)

εt = a N‐b

Fatigue law  obtained by the classical approach: specimen fails when required load to keep displacement level has decreased 50 per cent of its initial value.

Page 5: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

HiMAM: evaluated parameters

5

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

AB

Page 6: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HiMAM: stiffness results (example for lab.A2: 5.3% bitumen content)

6

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

5 Hz0,1 Hz 1 Hz

10 Hz

Cov:9.7%9.6%10.0%11.5%

Cov:6.2%4.0%10.5%15.3%

Cov:5.4%6.5%4.8%‐‐‐

Cov:4.1%10.9%16.1%‐‐‐

Temperature (oC)

Stiffne

ssMod

ulus

(MPa)

εt = 120 μm/m

Page 7: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HiMAM: stiffness results (example for lab.A2: 5.3% bitumen content)

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

25ºC

45ºC

40ºC

15ºC

Cov:11.5%15.3%‐‐‐‐‐‐

Cov:10.0%10.5%4.8%16.1%

Cov:9.6%4.0%6.5%10.9%

Cov:9.7%6.2%5.4%4.1%

Frequency (Hz)

Stiffne

ssMod

ulus

(MPa)

εt = 120 μm/m

Page 8: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HiMAM: phase angle (example for lab.A2: 5.3% bitumen content)

8

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

Cov:‐‐‐‐‐‐‐‐4.5%7.2%

Cov:8.9%4.9%4.1%3.9%

Cov:9.6%6.5%9.3%7.5%

Cov:9.5%8.1%10.8%8.7%

Frequency (Hz)

PhaseAn

gle(o)

25ºC

45ºC

40ºC

15ºC

εt = 120 μm/m

Page 9: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HiMAM: statistical analysis of stiffness results 

9

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

Specimens from trial sections

LaboratorySpecimens

t –test: The difference between the averages of stiffness modulus is not significant, for a 5% significance level.

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

Wilcoxon Signed Rank Test:hypothesis of identical populations is rejected for a 5% significance level.

Page 10: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HiMAM: regression analysis of stiffness results 

10

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

bmaxbmix S x 33.6 x 94.16V x 50.853T x 90.331t x 10.215130231S +ε−−−−=

Smix (MPa) ‐mixture’s stiffness modulust (s) ‐ loading timeT (oC) ‐mixture temperatureVb (%) ‐ percentage of bitumen by volumeεmax (mm/m) ‐maximum strainSb (MPa) ‐ bitumen stiffness. 

R2 = 0.89

Smix (MPa) 

Traffic Speed (Km/h) 

Example for a typical situation:

Page 11: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HiMAM: regression analysis of fatigue results (examples)

11

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

Classic Analysis

100

1000

1000 10000 100000 1000000 10000000

Load cycles

Stra

in(m

icron

s)

Lab.A3(bit=5.8%)

Lab.A2(bit=5.3%)

Lab.A1(bit=4.8%)

εt=a x Nb

Effect of aggregate inter-locking along

crack borders

70% stiffness reduction

R2=0.93

R2=0.904

R2=0.947

Page 12: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HiMAM: regression analysis of fatigue results (examples)

12

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

100

1000

1E3 1E4 1E5 1E6 1E7Number of load cycles

Stra

in (m

icron

s)

A2.2 Vv=1.95 %

A2.1Vv=1.79%

Lab.A2Vv=1.73%

205.4 214.2 22

8.0

207.7

248.8

220.8

50

100

150

200

250

300

350

A1.1 A1.2 A2.1 A2.2 A3.1 A3.2Trial sections

ε 6(m

icron

s)

εt = a N -b ε6 strain which induces specimen ruin 

after 1 million load cycles

(bit= 5.3%)

Page 13: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

Grupo de Investigação em Vias de Comunicação

HMR: test parameters

13

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

Page 14: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HMR: stiffness results (example for mix D: 4.3% bitumen content)

14

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

25oC

40oC

15oC

Stiffne

ssMod

ulus

(MPa)

εt = 100 μm/m

Frequency (Hz)

Stiffne

ssMod

ulus

(MPa)

Frequency (Hz)

Specimens from pavement Specimens from laboratory

40oC

25oC

15oC

Higher stiffness values:Better control of the mixing process...

Page 15: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

HMR: regression analysis of fatigue results  (example for mix D: 4.3% bitumen content)

15

Statistical analysis of unconventional bituminous mixtures’ performance based on 4PB Tests

εt = 100 μm/m

Strain(μm/m

)

Load cycles

Specimens from pavement Specimens from laboratory

25oC

Better performance:Better control of the mixing process...

25oC

Load cycles

Strain(μm/m

) ε6  = 258

ε6  = 205

Page 16: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

16

CONCLUSIONS• HiMBM: The prediction models, bearing in mind their limitations, can be used within the range of characteristics studied for HiMBM, for mixture composition studies and for design purposes (stiffness modulus model)

• It is adequate assessing fatigue resistance of HiMBM from specimens produced in laboratory instead of building trial sections, particularly for mix design purpose (Parameter ε6 seems to be adequate for ranking mixtures during the mix design process)

• HMR:It was found that mixtures produced in laboratory have a better mechanical behaviourthan mixtures produced in plant. This underlines the fact that better fabrication and lay‐down control are significant issues.

Page 17: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

17

CONCLUSIONS

• HMR:Hot‐mix bituminous recycled in plant is possible, in technological terms, with 40% of reclaimed material incorporation by total weight.

Finally, it can be affirmed that mechanical behaviour of unconventional mixtures similar to HiMBM and HMR can be evaluated from four‐point bending tests. 

Page 18: Grupo de Investigação em Vias de Statistical bituminous ... · Grupo de Investigação em Vias de Comunicação. Mechanical performance evaluation: StiffnessModulus+ PhaseAngle

18

PORTUGAL

Grupo de Investigação emVias de Comunicação

ISEC FCTUC

UNIVERSITY OF COIMBRA

POLYTECHNIC OF VISEU

Silvino Capitão António Baptista Luís Picado-Santos

ESTV

Thank You for Your Attention.