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

9

Spécifications ASTM vers 2006

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 16

Low Temperature Cracking 10/16/2016 17

ILLI-TC Pre-Analyzer Results

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

Stabilité avec résistance à la fissuration -Performance vue en 2 dimensions

+

Hamburg DC(T)

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

Ajustement du mélange: Modification du liant

Comportement du mélange BPF/Recyclage

Comportement du mélange: GBR/Recyclage

Comportement du mélange: Granulats plus résistants

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)

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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

Relation typique (température-temps) du pavage pour la section

Relation typique (Température-profondeur) du pavage

Relation typique (déformation-temps) du pavage

Relation typique (déformation-profondeur) du pavage

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