Analysis of the reliability of the VECD approach for conventional and innovative asphalt mixtures

In Europe, heavy-transport demand has increased in the last decades, as a result of the growth of the global economy. In this scenario, road infrastructures, especially motorways, play a crucial role, since the pavement must ensure a proper level of service and safety for the users. Nowadays the research is mainly focused on the development and study of high-performance and sustainable materials. However, there is lack of reliable pavement design tools that allow to fully take into account the improved material properties or non-standard materials, since the most common design methods are either based on elastic theory or mechanistic-empirical approaches which require in-field observations in the long-term. To this regard, the Asphalt Mixture Performance-Related Specification (AM-PRS) developed in U.S. could represent a valid alternative, since they allow the determination and use of intrinsic material properties through the application of solid mechanical theories. The AM-PRS provides the mechanical-based fatigue and rutting characterization through the ViscoElastic Continuum Damage approach and the viscoplastic shift model, respectively. The aim of this PhD research work is to analyze the reliability of such approach for Italian (and European) conventional and innovative asphalt mixtures destined to motorway pavements. Therefore, the performance of dense-graded hot mix asphalt (HMA) with compound made of recycled plastic added through the dry method, and warm mix asphalt (WMA) with 30% or 45% of RAP were studied in comparison with the reference HMA with SBS modified bitumen. Three typical Polish asphalt mixtures with neat or SBS modified bitumen were also investigated. Regarding mixtures for wearing course, the performance of an open-graded (OG) WMA with 25% of RAP was compared to the one of the reference OG HMA with 15%. A stone mastix asphalt (SMA) mixture, commonly used in Poland, was included in the research as well. The results showed that the VECD approach is reliable for all the dense-graded mixtures for binder and base course, and it is capable of capturing the variation in performance associated with the mixture composition (i.e., virgin or recycled aggregate, type and amount of bitumen). However, the reliability of the failure criterion for OG may need further studies, since the low stiffness is identified as a rubbery behavior. Moreover, the suitability of stress sweep rutting tests for SMA may need to be evaluated. As a final challenge, the applicability of the VECD approach to Cold Recycled Materials (CRMs) was investigated by adopting a 2-stages procedure for pavement performance simulations. The results are encouraging and showed that CRMs could be used as replacements for both the aggregate base course and the lowest asphalt concrete course, enhancing the pavement performance and sustainability.

In Europa, la domanda di pavimentazioni in grado di soddisfare il traffico pesante è aumentata negli ultimi decenni, a seguito della crescita dell’economia globale. In questo scenario, le infrastrutture stradali, in particolare le autostrade, giocano un ruolo cruciale, poiché la pavimentazione deve garantire un adeguato livello di servizio e di sicurezza agli utenti. La ricerca si è concentrata sullo sviluppo e sullo studio di materiali ad alte prestazioni e sostenibili. Tuttavia, mancano strumenti di progettazione della pavimentazione affidabili che consentano di tenere pienamente conto delle proprietà superiori dei materiali o dei materiali non convenzionali. Infatti, i metodi di progettazione più comuni sono basati sulla teoria elastica con l’utilizzo di formule empiriche, o sono empirico-meccanici che richiedono osservazioni a lungo termine per la calibrazione. A questo proposito, le Asphalt Mixture Performance-Related Specifications (AM-PRS) sviluppate negli Stati Uniti potrebbero rappresentare una valida alternativa, poiché prevedono la determinazione e l’utilizzo delle proprietà intrinseche dei materiali tramite l’applicazione di teorie meccaniche. Le AM-PRS forniscono la caratterizzazione meccanica a fatica attraverso l'approccio del ViscoElastic Continuum Damage e all'ormaiamento attraverso un modello viscoplastico chiamato shift model. Lo scopo del presente lavoro di dottorato è quello di analizzare l'affidabilità di tale approccio per conglomerati bituminosi convenzionali ed innovativi italiani (ed europei) destinati alle pavimentazioni autostradali. Sono state quindi studiate le prestazioni di conglomerati bituminosi chiuso a caldo (Hot Mix Asphalt, HMA) con compound di plastica riciclata aggiunti con il metodo dry, e di miscele tiepide (Warm Mix Asphalt, WMA) con il 30% o il 45% di RAP rispetto al conglomerato a caldo di riferimento con bitume modificato con SBS. Inoltre, sono state analizzati anche tre tipici conglomerati bituminosi impiegati in Polonia con bitume non modificato o modificato con SBS. Per quanto riguarda i conglomerati bituminosi per strati di usura, la prestazione di un WMA aperto (Open-Graded, OG) con il 25% di RAP è stata confrontata con quella dell'OG HMA di riferimento con il 15%. Alla ricerca è stato aggiunto uno Stone Mastix Asphalt (SMA) impiegato in Polonia. I risultati hanno mostrato che l’approccio VECD è affidabile per tutti i conglomerati chiusi per strati di collegamento e di base, ed è in grado di cogliere le differenze nelle prestazioni dovute alla composizione della miscela (aggregato vergine o riciclato, tipo e quantità di bitume). Tuttavia, l’affidabilità del criterio di rottura per OG potrebbe richiedere ulteriori studi, poiché la bassa rigidezza è identificata come un comportamento gommoso. Inoltre, potrebbe essere necessario valutare l’idoneità delle prove di ormaiamento di tipo stress sweep per lo SMA. Come obiettivo finale, è stata studiata l'applicabilità dell'approccio VECD ai materiali riciclati a freddo (CRM), adottando una procedura a 2 fasi per le simulazioni delle prestazioni della pavimentazione. I risultati sono promettenti e hanno mostrato che i CRM potrebbero essere utilizzati sia in sostituzione dello strato di base non legato sia in sostituzione dello strato di conglomerato più profondo migliorando le prestazioni e la sostenibilità della pavimentazione.