Dynamic testing for the characterisation of bituminous interlayers

The traffic loading on pavement structures includes both vertical and horizontal stresses (normal and tangent to the pavement surface). The latter become critical in regions that are prone to frequent braking, cornering or on steep grades. Since bituminous pavement is a multilayer structure, the existence of a poor interlayer bonding between bituminous layers could adversely affect the pavement performance and serviceability. Hence, a proper evaluation of the interlayer bonding has the utmost importance in pavement performance. The evaluation of interlayer bonding in bituminous pavements is typically carried out by measuring the interlayer shear strength (ISS) at failure using static laboratory tests. A significant improvement of the current testing approach is the development of dynamic testing devices, which could simulate the field conditions more realistically since the traffic loads applied to the pavement are dynamic. In this context, this PhD thesis describes the experimental activities carried out at Università Politecnica delle Marche, North Carolina State University and University of Limoges within the Task Group 3 “Pavement multilayer system” of the RILEM TC 272-PIM. The activities focused on the design and development of a new testing device for performing dynamic interlayer bond testing at Università Politecnica delle Marche along with carrying out dynamic bond testing using other existing devices. The interlayer behaviour has been investigated through both direct shear and torque tests on double-layered specimens extracted from laboratory compacted slabs prepared using a single bituminous mixture. The stimulating results presented in this thesis, reported both in terms of stiffness and cumulative damage, showed that dynamic bond testing can successfully be used to evaluate the bituminous interlayer performance and can provide a noticeable help for defining the service life of the pavement sections realistically compared to the static bond tests.

Il carico di traffico trasferito sulle pavimentazioni stradali include sia sollecitazioni verticali che orizzontali. Queste ultime diventano particolarmente critiche nelle zone soggette a frequenti frenate, in curva o con pendenze elevate. Poiché la pavimentazione stradale è una struttura multistrato, l'esistenza di uno scarso collegamento all’interfaccia tra gli strati bituminosi potrebbe influire negativamente sulle prestazioni e funzionalità della pavimentazione. Pertanto, una corretta valutazione del grado di collegamento tra gli strati è di fondamentale importanza. Finora, tale valutazione viene effettuata misurando la resistenza a taglio dell'interfaccia utilizzando prove di laboratorio statiche. Un miglioramento significativo dell'attuale approccio di prova è lo sviluppo di dispositivi dinamici, che potrebbero simulare in modo più realistico le condizioni in sito. La presente Tesi di dottorato descrive le attività sperimentali svolte presso l'Università Politecnica delle Marche, la North Carolina State University e l'University of Limoges nell'ambito del Task Group 3 "Pavement multilayer system" del RILEM TC 272-PIM. Le attività si sono concentrate sulla progettazione e lo sviluppo di un nuovo dispositivo di prova per l'esecuzione di prove dinamiche all’interfaccia presso l'Università Politecnica delle Marche e sull’esecuzione di prove dinamiche con altri dispositivi esistenti. Il comportamento a taglio delle interfacce è stato studiato sia con prove di taglio diretto che di torsione su campioni carotati da lastre bistrato compattate in laboratorio e preparate con un'unica miscela bituminosa. I risultati presentati in questa tesi, sia in termini di rigidità che di danno cumulativo, hanno dimostrato che le prove di taglio dinamico possono essere utilizzate con successo per valutare le prestazioni delle interfacce bituminose e fornire un notevole aiuto per definire la vita utile delle pavimentazioni in modo più realistico rispetto alle prove di taglio statico.