Steel orthotropic deck is the most suitable solution for long-span bridges in virtue of its low weight and good mechanical properties. However, it can be subject to corrosion caused by rain and deicing salts which can infiltrate the pavement layers. Waterproofing coats typically show a lack of adhesion with smooth steel surface and/or with bituminous paving materials. Coats that create good adhesion with steel (epoxy or methacrylic resins), tend to have poor affinity with bitumen. For this reason, monolithic aggregate particles are typically spread on the “not-hardened” waterproofing coat in order to make the interface rough. In some extreme situations (small-radius curves or steep slopes) even mechanical reinforcements, consisting of steel nets or bars welded to the deck surface, are necessary to avoid pavement slippage. The PhD research was carried out with the aim to evaluate the shear properties of steel-concrete interfaces in orthotropic deck bridges. Different bond-improving methods were accurately studied, classified and tested in order to identify the advantages/disadvantages presented by each technique. Suitable specimen preparation procedures were preliminarily defined according to the physical behavior of each material. The ASTRA shear test device was used in order to determine the shear resistance of different types of steel-pavement interfaces and to investigate the effects of temperature and normal stress. The results showed that epoxy asphalt guarantees the highest performance regardless of the test temperature; bituminous and methacrylic membranes have a similar shear resistance, respectively related to good cohesion and friction; the presence of steel nets or bars on the deck surface significantly improves the slippage resistance at the interface, even if shear properties are not as high as that of epoxy asphalt system. Besides interface characterization, physical, mechanical and rheological properties of two pavement mixtures for orthotropic decks, i.e. hot mix asphalt with polymer-modified bitumen and epoxy asphalt concrete, were evaluated. In particular compactability tests, indirect tensile tests and cyclic compression tests were performed. Experimental analysis demonstrated that epoxy asphalt concrete has higher properties than hot mix asphalt in terms of strength and stiffness, although its workability is lower. Viscoelastic characterization proved that epoxy asphalt is not a thermorheologically simple material, as time-temperature superposition principle is not valid either for Young’s modulus and Poisson’s ratio.

L’impalcato in acciaio a piastra ortotropa è la soluzione migliore per la realizzazione di ponti di grande luce, in virtù della sua leggerezza e delle ottime proprietà meccaniche. Questa tipologia di impalcato è però soggetta ad un elevato rischio di corrosione, soprattutto a causa delle acque meteoriche e dei sali antigelo che si possono infiltrare sotto la pavimentazione stradale. I vari prodotti impermeabilizzanti hanno una più o meno rilevante carenza nell’adesione con la superficie liscia dell’impalcato e/o con il conglomerato bituminoso della pavimentazione stradale. Quelli che sviluppano una migliore adesione con l’acciaio (resine epossidiche o metacriliche) sono scarsamente compatibili con il bitume. Per questo viene generalmente stesa sull’impermeabilizzazione “fresca” una graniglia tendente ad irruvidire l’interfaccia guaina-conglomerato bituminoso. Nel caso in cui si richieda una resistenza allo scorrimento ancora maggiore (tratti a forte pendenza, curve a piccolo raggio), si adottano provvedimenti più impegnativi che consistono nel saldare dei fermi sulla superficie della piastra ortotropa. La ricerca è stata condotta con lo scopo di valutare le proprietà a taglio di interfacce acciaio-conglomerato di ponti a piastra ortotropa. In questo ambito sono state esaminati, classificati e testati differenti materiali e metodologie per il miglioramento dell’adesione, al fine di identificare i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnica. Sulla base del comportamento fisico di ogni materiale è stata messa a punto un’apposita procedura di preparazione dei provini. Per la determinazione della resistenza a taglio delle differenti interfacce e per esaminare gli effetti di varie temperature e sforzi normali è stata utilizzata la prova di taglio ASTRA, messa a punto da diversi anni dal Laboratorio di Strade dell’Università Politecnica delle Marche. I risultati sperimentali hanno mostrato che l’epoxy asphalt garantisce le migliori prestazioni indipendentemente dalla temperatura di prova; le membrane bituminosa e metacrilica hanno una resistenza a taglio confrontabile, di natura rispettivamente coesiva ed attritiva; la presenza di fermi, quali reti o barre d’acciaio, sulla piastra ortotropa determina un significativo miglioramento della resistenza allo scorrimento dell’interfaccia, anche se le proprietà a taglio non sono elevate come quelle dell’epoxy asphalt. Oltre alla caratterizzazione delle interfacce, sono state valutate le proprietà fisiche, meccaniche e reologiche di due miscele per pavimentazioni di impalcati in acciaio: conglomerato bituminoso con bitume modificato e conglomerato epossidico. In particolare sono state eseguite prove di addensamento, di resistenza a trazione indiretta e di compressione ciclica. L’analisi sperimentale ha mostrato che il conglomerato epossidico possiede proprietà più elevate rispetto al conglomerato bituminoso in termini di resistenza e rigidezza, sebbene la lavorabilità sia inferiore. La caratterizzazione del comportamento viscoelastico ha permesso di constatare che il conglomerato epossidico non è un materiale termoreologicamente semplice, poiché il principio di sovrapposizione tempo-temperatura è risultato non valido sia per il modulo di Young che per il rapporto di Poisson.

Experimental Evaluation of the Adhesion at the Interface Between Pavement Layers and Orthotropic Steel Decks

Bocci, Edoardo
2014-04-02

Abstract

L’impalcato in acciaio a piastra ortotropa è la soluzione migliore per la realizzazione di ponti di grande luce, in virtù della sua leggerezza e delle ottime proprietà meccaniche. Questa tipologia di impalcato è però soggetta ad un elevato rischio di corrosione, soprattutto a causa delle acque meteoriche e dei sali antigelo che si possono infiltrare sotto la pavimentazione stradale. I vari prodotti impermeabilizzanti hanno una più o meno rilevante carenza nell’adesione con la superficie liscia dell’impalcato e/o con il conglomerato bituminoso della pavimentazione stradale. Quelli che sviluppano una migliore adesione con l’acciaio (resine epossidiche o metacriliche) sono scarsamente compatibili con il bitume. Per questo viene generalmente stesa sull’impermeabilizzazione “fresca” una graniglia tendente ad irruvidire l’interfaccia guaina-conglomerato bituminoso. Nel caso in cui si richieda una resistenza allo scorrimento ancora maggiore (tratti a forte pendenza, curve a piccolo raggio), si adottano provvedimenti più impegnativi che consistono nel saldare dei fermi sulla superficie della piastra ortotropa. La ricerca è stata condotta con lo scopo di valutare le proprietà a taglio di interfacce acciaio-conglomerato di ponti a piastra ortotropa. In questo ambito sono state esaminati, classificati e testati differenti materiali e metodologie per il miglioramento dell’adesione, al fine di identificare i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnica. Sulla base del comportamento fisico di ogni materiale è stata messa a punto un’apposita procedura di preparazione dei provini. Per la determinazione della resistenza a taglio delle differenti interfacce e per esaminare gli effetti di varie temperature e sforzi normali è stata utilizzata la prova di taglio ASTRA, messa a punto da diversi anni dal Laboratorio di Strade dell’Università Politecnica delle Marche. I risultati sperimentali hanno mostrato che l’epoxy asphalt garantisce le migliori prestazioni indipendentemente dalla temperatura di prova; le membrane bituminosa e metacrilica hanno una resistenza a taglio confrontabile, di natura rispettivamente coesiva ed attritiva; la presenza di fermi, quali reti o barre d’acciaio, sulla piastra ortotropa determina un significativo miglioramento della resistenza allo scorrimento dell’interfaccia, anche se le proprietà a taglio non sono elevate come quelle dell’epoxy asphalt. Oltre alla caratterizzazione delle interfacce, sono state valutate le proprietà fisiche, meccaniche e reologiche di due miscele per pavimentazioni di impalcati in acciaio: conglomerato bituminoso con bitume modificato e conglomerato epossidico. In particolare sono state eseguite prove di addensamento, di resistenza a trazione indiretta e di compressione ciclica. L’analisi sperimentale ha mostrato che il conglomerato epossidico possiede proprietà più elevate rispetto al conglomerato bituminoso in termini di resistenza e rigidezza, sebbene la lavorabilità sia inferiore. La caratterizzazione del comportamento viscoelastico ha permesso di constatare che il conglomerato epossidico non è un materiale termoreologicamente semplice, poiché il principio di sovrapposizione tempo-temperatura è risultato non valido sia per il modulo di Young che per il rapporto di Poisson.
Steel orthotropic deck is the most suitable solution for long-span bridges in virtue of its low weight and good mechanical properties. However, it can be subject to corrosion caused by rain and deicing salts which can infiltrate the pavement layers. Waterproofing coats typically show a lack of adhesion with smooth steel surface and/or with bituminous paving materials. Coats that create good adhesion with steel (epoxy or methacrylic resins), tend to have poor affinity with bitumen. For this reason, monolithic aggregate particles are typically spread on the “not-hardened” waterproofing coat in order to make the interface rough. In some extreme situations (small-radius curves or steep slopes) even mechanical reinforcements, consisting of steel nets or bars welded to the deck surface, are necessary to avoid pavement slippage. The PhD research was carried out with the aim to evaluate the shear properties of steel-concrete interfaces in orthotropic deck bridges. Different bond-improving methods were accurately studied, classified and tested in order to identify the advantages/disadvantages presented by each technique. Suitable specimen preparation procedures were preliminarily defined according to the physical behavior of each material. The ASTRA shear test device was used in order to determine the shear resistance of different types of steel-pavement interfaces and to investigate the effects of temperature and normal stress. The results showed that epoxy asphalt guarantees the highest performance regardless of the test temperature; bituminous and methacrylic membranes have a similar shear resistance, respectively related to good cohesion and friction; the presence of steel nets or bars on the deck surface significantly improves the slippage resistance at the interface, even if shear properties are not as high as that of epoxy asphalt system. Besides interface characterization, physical, mechanical and rheological properties of two pavement mixtures for orthotropic decks, i.e. hot mix asphalt with polymer-modified bitumen and epoxy asphalt concrete, were evaluated. In particular compactability tests, indirect tensile tests and cyclic compression tests were performed. Experimental analysis demonstrated that epoxy asphalt concrete has higher properties than hot mix asphalt in terms of strength and stiffness, although its workability is lower. Viscoelastic characterization proved that epoxy asphalt is not a thermorheologically simple material, as time-temperature superposition principle is not valid either for Young’s modulus and Poisson’s ratio.
Adhesion
Orthotropic deck
Interface
Shear
Epoxy asphalt
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