Simulative tests, such as asphalt pavement analyzer (APA), Hamberg rut tester etc. have been widely used to evaluate the performance of asphalt mixtures. However, simulative tests to evaluate the performance of the mixtures cannot give fundamental properties of Asphalt Concrete (AC) due to the complex stress and strain fields. On the other hand, due to the availability of high-performance computing systems and software, numerical techniques are gaining popularity. This dissertation presents a computational simulation method of the APA tests in order to evaluate the rutting potential of asphalt mixtures based on actual microstructure reconstructed from X-ray tomography images. In the study, the microstructure of AC is obtained through the analysis of X-ray images, which included the digital information of the microstructure for the scanned specimen. In the simulations the three phases, mastic (asphalt binder with mineral filler), aggregates, and voids are assigned with different material properties. Aggregates are modeled as an elastic material, and air voids are removed during the loading steps. The adopted two-layer model is only used to represent the rate and temperature dependent behavior of the mastics. The parameters are obtained with inverse methods. Based on the sensitivity analysis of the parameters, an iterative procedure is performed to optimize the parameters using the experimental measurement and results of the model simulations. A parametric study is also conducted to study the effect of major parameters such as the stiffness ratio of the networks on the macro response of the model. The simulation results obtained shows a good agreement with the experimental results. The dissertation also presents a method to measure micro strains in asphalt mixture. An automated procedure using tomography images to reconstruct three-dimensional particles is developed. The translations of the particles are obtained from the coordinate differences of particles' mass centers before and after the APA testing. The micro and macro strains in the mixture are calculated based on the particle translations. A good correlation is found between measured strains and experimental result. / Ph. D.

Doctor of Philosophy / Department of Civil Engineering / Stefan A. Romanoschi / Permanent deformation (rutting) is the most critical load-associated distress that develops on asphalt pavements significantly affecting their performance. Past research work focused on estimating permanent deformation of asphalt mixes using empirical prediction models or prediction models based on linear elastic material models. In recent years, mechanistic and mechanistic-empirical prediction models have been developed to take into account the behavior of asphalt material (viscoelastic, viscoplastic or elasto-visco-plastic). This research project aims to evaluate existing mechanistic models that predict permanent deformation (rutting) in asphalt mixes by comparing computed permanent deformation to that measured in a full-scale accelerated pavement test. Six pavement sections were constructed in the Civil Infrastructure Systems Laboratory (CISL) of Kansas State University with six different asphalt mixes. The sections were loaded with up to 700,000 load repetitions of a 22,000lb single axle. The transverse profiles at the pavement surface were measured periodically. For material characterization, asphalt mix samples fabricated in the laboratory, were subjected to dynamic modulus (|E*|), static creep - flow time (Ft), dynamic creep - flow number (Fn), triaxial and uniaxial strength tests, repetitive shear at constant height (RSCH) and frequency sweep at constant height (FSCH). The finite element software, Abaqus, was used to simulate and evaluate four permanent deformation prediction models, which are: creep model, elasto-visco-plastic model, viscoelastic model and Drucker-Prager model. The predicted permanent deformation was then compared to permanent deformation measured in CISL for the six of asphalt pavement sections. It was found that, with some improvements, creep and elasto-visco-plastic models could be used to predict permanent deformation in asphalt mixes. The viscoelastic model greatly under-predict permanent deformation, and the Drucker-Prager model with hardening criteria over predicts permanent deformation as compared to values measured in CISL.

Characterization of the effect of physical properties on the performance such as stiffness and drainage of unbound granular materials is necessary in order to incorporate them in pavement design. The stiffness, deformation and permeability behaviour of unbound granular materials are the essential design inputs for Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide as well as empirical design methods. The performance based specifications are aimed to design, and construct a durable and cost effective material throughout the design life of a pavement. However, the specification varies among jurisdiction depending on the historical or current practice, locally available materials, landform, climate and drainage. A literature review on the current unbound granular materials virgin and recycled concrete aggregate base construction specification has been carried out in this study. Resilient modulus, permanent deformation and permeability tests have been carried out on seven gradations of materials from locally available sources. Resilient modulus stiffness of unbound granular material at two different conditioning stress level have been compared in the study. The long term deformation behaviour has also been characterized from results of the permanent deformation test using shakedown approach, dissipated energy approach and a simplified approach. The results show improvement in resilient modulus and permanent deformation for the proposed specification compared to the currently used materials as a results of reduced fines content, increased crush count and inclusion of larger maximum aggregate size into the gradation. A significant effect of particle packing on permeability of granular materials have also been found, in addition to the effect of fines. / October 2016

Este trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento de duas misturas asfálticas preparadas com asfaltos diferentes, uma com asfalto convencional (CAP 20) e outra com asfalto modificado pela adição de polímeros (BETUFLEX B 80/60), à luz dos resultados de dois ensaios distintos, o ensaio Marshall e o ensaio de fluência por compressão uniaxial estática. O ensaio de fluência uniaxial estática consiste, numa forma indireta, para avaliar a resistência da mistura asfáltica à formação de trilha de roda ou à deformação permanente. Os resultados dos ensaios Marshall não permitiram concluir se houve melhora no desempenho das misturas asfálticas em função da adição de polímeros, com exceção de uma única propriedade, a estabilidade, que apresentou-se sempre maior para a mistura feita com asfalto convencional, independente do teor utilizado. Já com relação aos resultados dos ensaios de fluência por compressão uniaxial estática, pode-se concluir que há uma tendência de melhora no comportamento das misturas preparadas com asfalto modificado com polímero. / The aim of this work is to evaluate the behaviour of two asphaltic mixtures prepared with different kinds of asphalts, one with conventional asphalt (CAP 20) and the other one with modified asphalt by addition of polymers (BETUFLEX B 80/60), from the results of the two different tests, the Marshall test and the static creep test. The latter test allows to estimate the asphaltic mixture resistance against the formation of the rut depth or the permanent deformation. The results of the Marshall did not allow to conclude if there was improvement in the performance of the asphaltic mixtures due to the addition of polymers, excluding only one feature, the stability, that showed always greater to the mixture made with the conventional asphalt, independently of the content used. As far as the results from the static creep test are concerned, it is possible to conclude that there is a tendency of improvement in the behaviour of the mixtures prepared with asphalt modified with polymer.

Neste trabalho apresenta-se, primeiramente, um levantamento bibliográfico dos métodos atualmente empregados para a avaliação da capacidade dos concretos betuminosos de suportar deformações permanentes. No atual contexto tecnológico de nosso país verifica-se que os métodos de ensaio de trilha-de-roda e de fluência por compressão uniaxial estática parecem ser mais viáveis e consistentes para esse fim, do que o tradicional método do ensaio Marshall, que é o único que vem sendo correntemente utilizado no Brasil. Em programa experimental, foi estudada a influência da granulometria dos agregados nas deformações permanentes de seis misturas para concreto asfáltico, sendo três na faixa \"C\" e três na faixa \"B\" da norma NBR 12948 da ABNT (1993). Nesse estudo, as proporções de agregados graúdos e de filer mostraram significativos efeitos nos resultados obtidos. Outro objetivo dessa parte do programa foi comparar os resultados de dois métodos de ensaio simples - o método de ensaio Marshall e o método de ensaio à fluência por compressão uniaxial estática - tendo como referência os resultados de ensaios de trilha-de-roda, realizados em laboratório, com o equipamento simulador de tráfego do \"Laboratoire des Ponts et Chaussées\", da França. A influência da temperatura de um concreto asfáltico, na sua capacidade de resistir deformações permanentes, foi também estudada e quantificada através dos ensaios de trilha-de-roda. O efeito desse parâmetro mostrou-se tão expressivo que não se pode deixar de considerá-lo nos projetos de misturas para concreto asfáltico de pavimentação. Foi ainda examinada a viabilidade de serem usados corpos-de-prova, moldados pelo método Marshall, em ensaios de fluência por compressão uniaxial estática e essa possibilidade parece não ter se mostrado muito promissora. / This work firstly presents a bibliographic survey of the methods nowadays used to evaluate the potential of the bituminous concrete to resist permanent deformations. It is shown that, in the present Brazilian technological context, the laboratory wheel-track test and the static uniaxial compression creep test seem to be more feasible and consistent rather than the traditional Marshall test method, that is the unique method being currently used in Brazil. In experimental program, the influence of the aggregate gradations in the permanent deformations in six asphalt concrete mixtures, three in the range \"C\" and another three in the range \"B\" of the NBR 12948 of the ABNT (1993) was studied. In this study, the proportions of coarse aggregates and filler showed significant effects on test results. Another purpose of this part of the program was to compare the results of two simple test methods - the Marshall test method and the static uniaxial compression creep test method- using as a reference the results of laboratory tracking tests dane in the LPC wheel-tracking rutting tester developed by the \"Laboratoire des Ponts et Chaussées\", in France. The influence of the asphalt concrete temperature in the capacity to resist to permanent deformations, was studied and evaluated by tracking tests. The effect of this factor was so expressive that can\'t be neglected in the design of asphaltic concrete paving mixtures. The viability of using Marshall specimens in static creep tests was also investigated and it has not seemed to be very promising.

Este trabalho teve como objetivo avaliar as vantagens ou desvantagens de utilizar-se asfalto modificado com polímero em misturas densas com seixo rolado como agregado graúdo. Para o experimento foram moldados setenta e cinco corpos-de-prova com asfalto convencional (CAP-40) e setenta e cinco corpos-de-prova com asfalto modificado (BETUFLEX B 65/60) e avaliados à luz dos ensaios Marshall, fluência por compressão uniaxial estática à 40ºC, resistência à tração por compressão diametral e módulo de resiliência por compressão diametral à 25ºC. Os resultados dos ensaios Marshall e de resistência à tração acusaram um melhor desempenho das misturas com asfalto modificado. As relações MR/'sigma tal' encontradas para ambas as misturas sugerem, a princípio, um melhor comportamento para as misturas modificadas. Os resultados dos ensaios de fluência por compressão uniaxial estática, no que tange à deformação elástica, detectou também uma performance superior das misturas com asfalto modificado em três teores de ligante dos cinco teores analisados, entretanto, para as demais propriedades, deformação total, deformação viscoplástica e módulo de fluência as misturas com asfalto convencional sairam-se melhor. / This research intends to analyze the advantages of hot-mix asphalt mixtures composed by polymer modified binder and gravel in relation to those made with conventional binder. To achieve the objective, there were compacted seventy five specimens with conventional binder and seventy five specimens with SBS polymer modified binder (BETUFLEX B 65/60) and were performed Marshall tests, static creep (40oC) tests, indirect tensile strength tests and resilient modulus by indirect tensile (25oC) tests. The results of Marshall and tensile strength tests showed a better performance of the polymer modified asphalt mixes than that presented by the conventional asphalt ones. The results from the relation of resilient modulus by indirect tensile and indirect tensile strength tests probably showed that the modified asphalt mixes have the best performance. The elastic strains from static creep tests also showed a better performance of the polymer modified mixes in three of the five binder contents, however, the others properties from static creep tests like as total strain, viscoplastic strain and creep modulus showed that the conventional asphalt mixes have the best performance.

A deformação permanente é uma das principais patologias do revestimento asfáltico. Caracterizada pelo afundamento longitudinal do pavimento asfáltico, quando submetido ao carregamento de tensões elevadas. Conhecer o comportamento mecânico quanto à deformação permanente das misturas asfálticas é de grande relevância na busca da escolha correta da mistura a ser empregada no dimensionamento de um pavimento. O ensaio laboratorial que vem ganhando força no Brasil para avaliação do potencial de deformação plástica de misturas asfálticas é o ensaio uniaxial de carga repetida parametrizado pelo Flow Number (FN). Neste sentido, a presente pesquisa buscou analisar o comportamento à deformação permanente, através do ensaio uniaxial de carga repetida, de dez misturas asfálticas. Os materiais utilizados na pesquisa foram: agregados pétreos de origem basáltica e quatro diferentes ligantes asfálticos, a saber: concreto asfáltico denso - AMP 6085-E; concreto asfáltico denso – CAP TLA 30/45; concreto asfáltico gap-graded – AB-8 (com a incorporação de cal calcítica e cal dolomítica) e concreto asfáltico denso – CAP 30/45. As demais cincos misturas estudadas foram as mesmas, porém com a incorporação de um agente surfactante para redução das temperaturas de usinagem e compactação (misturas mornas). Os resultados mostraram que a mistura morna moldada com AMP 60/85 – E teve desempenho superior as demais misturas. O restante das misturas mornas apresentaram desempenho inferior ao das suas respectivas misturas quentes. Entre as misturas moldadas com AB-8 percebeu-se que a mistura (quente e morna) dosada com cal calcítica teve comportamento superior ao da mistura (quente e morna) com cal dolomítica, fator explicado pela quantidade superior de dióxido de cálcio disponível na cal. Quanto ao parâmetro FN, foi possível verificar que este parâmetro é mais sensível a taxa de deformação na zona secundária do que a magnitude de deformação sofrida pela mistura. Para um valor de FN igual a 300 (pistas de tráfego médio) reprovaria 6 das 10 misturas estudadas, sendo que as misturas com asfalto polímero e a mistura tipo gap-graded com AB-8 e cal calcítica foram as misturas de desempenho superior. / Rutting is one of the major distress types in asphalt pavements. It is characterized by the longitudinal permanent deformation and flow around the wheel path that occurs at the surface of an asphalt concrete pavement when subjected to high stresses. Understanding the mechanical behavior of permanent deformation development on asphalt mixtures is important to an appropriate choice of the mixture to be used in the pavement structure design. The uniaxial repeated load test, via the Flow Number (FN) parameter, has gained strength in Brazil to evaluate the plastic deformation development potential of asphalt mixtures. Hence, the present research attempted to analyze the permanent deformation behavior of ten asphalt mixes by means of the uniaxial repeated load test. The materials used in the research were basaltic stone aggregates and four different asphalt binders to fabricate the following mixes: Dense asphalt concrete with PMB 60/85-E; dense asphalt concrete with AC 30/45pen+TLA; gap-graded asphalt concrete with AR8 (calcitic lime and dolomitic lime added), and dense asphalt concrete with AC 30/45pen. The other five mixtures were the same, but with the incorporation of a surfactant additive to reduce mixing and compaction temperatures (warm mixtures). The results showed that the warm mix with PMB 60/85-E had a superior performance to the other mixtures. The other warm mixes studied displayed lower performance than their respective HMA. Among the mixtures with AR8, it was observed that both mixes (hot and warm) with added calcitic lime had superior behavior to both hot and warm mixes with dolomitic lime; arguably, an aspect explained by the higher quantity of available calcium dioxide available in the former lime. As for the parameter FN it was possible to verify that this parameter is more sensitive the rate of deformation in the secondary zone than the magnitude of the deformation suffered by the mixture. For a FN reference of minimum 300 cycles (medium traffic), 6 of the 10 mixtures studied would fail, being the mixtures with polymer modified binder and the gap-graded mixture with AR-8 and added calcitic lime the superior performance mixtures.

Este trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento de duas misturas asfálticas preparadas com asfaltos diferentes, uma com asfalto convencional (CAP 20) e outra com asfalto modificado pela adição de polímeros (BETUFLEX B 80/60), à luz dos resultados de dois ensaios distintos, o ensaio Marshall e o ensaio de fluência por compressão uniaxial estática. O ensaio de fluência uniaxial estática consiste, numa forma indireta, para avaliar a resistência da mistura asfáltica à formação de trilha de roda ou à deformação permanente. Os resultados dos ensaios Marshall não permitiram concluir se houve melhora no desempenho das misturas asfálticas em função da adição de polímeros, com exceção de uma única propriedade, a estabilidade, que apresentou-se sempre maior para a mistura feita com asfalto convencional, independente do teor utilizado. Já com relação aos resultados dos ensaios de fluência por compressão uniaxial estática, pode-se concluir que há uma tendência de melhora no comportamento das misturas preparadas com asfalto modificado com polímero. / The aim of this work is to evaluate the behaviour of two asphaltic mixtures prepared with different kinds of asphalts, one with conventional asphalt (CAP 20) and the other one with modified asphalt by addition of polymers (BETUFLEX B 80/60), from the results of the two different tests, the Marshall test and the static creep test. The latter test allows to estimate the asphaltic mixture resistance against the formation of the rut depth or the permanent deformation. The results of the Marshall did not allow to conclude if there was improvement in the performance of the asphaltic mixtures due to the addition of polymers, excluding only one feature, the stability, that showed always greater to the mixture made with the conventional asphalt, independently of the content used. As far as the results from the static creep test are concerned, it is possible to conclude that there is a tendency of improvement in the behaviour of the mixtures prepared with asphalt modified with polymer.

Este trabalho teve como objetivo avaliar as vantagens ou desvantagens de utilizar-se asfalto modificado com polímero em misturas densas com seixo rolado como agregado graúdo. Para o experimento foram moldados setenta e cinco corpos-de-prova com asfalto convencional (CAP-40) e setenta e cinco corpos-de-prova com asfalto modificado (BETUFLEX B 65/60) e avaliados à luz dos ensaios Marshall, fluência por compressão uniaxial estática à 40ºC, resistência à tração por compressão diametral e módulo de resiliência por compressão diametral à 25ºC. Os resultados dos ensaios Marshall e de resistência à tração acusaram um melhor desempenho das misturas com asfalto modificado. As relações MR/'sigma tal' encontradas para ambas as misturas sugerem, a princípio, um melhor comportamento para as misturas modificadas. Os resultados dos ensaios de fluência por compressão uniaxial estática, no que tange à deformação elástica, detectou também uma performance superior das misturas com asfalto modificado em três teores de ligante dos cinco teores analisados, entretanto, para as demais propriedades, deformação total, deformação viscoplástica e módulo de fluência as misturas com asfalto convencional sairam-se melhor. / This research intends to analyze the advantages of hot-mix asphalt mixtures composed by polymer modified binder and gravel in relation to those made with conventional binder. To achieve the objective, there were compacted seventy five specimens with conventional binder and seventy five specimens with SBS polymer modified binder (BETUFLEX B 65/60) and were performed Marshall tests, static creep (40oC) tests, indirect tensile strength tests and resilient modulus by indirect tensile (25oC) tests. The results of Marshall and tensile strength tests showed a better performance of the polymer modified asphalt mixes than that presented by the conventional asphalt ones. The results from the relation of resilient modulus by indirect tensile and indirect tensile strength tests probably showed that the modified asphalt mixes have the best performance. The elastic strains from static creep tests also showed a better performance of the polymer modified mixes in three of the five binder contents, however, the others properties from static creep tests like as total strain, viscoplastic strain and creep modulus showed that the conventional asphalt mixes have the best performance.

Neste trabalho apresenta-se, primeiramente, um levantamento bibliográfico dos métodos atualmente empregados para a avaliação da capacidade dos concretos betuminosos de suportar deformações permanentes. No atual contexto tecnológico de nosso país verifica-se que os métodos de ensaio de trilha-de-roda e de fluência por compressão uniaxial estática parecem ser mais viáveis e consistentes para esse fim, do que o tradicional método do ensaio Marshall, que é o único que vem sendo correntemente utilizado no Brasil. Em programa experimental, foi estudada a influência da granulometria dos agregados nas deformações permanentes de seis misturas para concreto asfáltico, sendo três na faixa \"C\" e três na faixa \"B\" da norma NBR 12948 da ABNT (1993). Nesse estudo, as proporções de agregados graúdos e de filer mostraram significativos efeitos nos resultados obtidos. Outro objetivo dessa parte do programa foi comparar os resultados de dois métodos de ensaio simples - o método de ensaio Marshall e o método de ensaio à fluência por compressão uniaxial estática - tendo como referência os resultados de ensaios de trilha-de-roda, realizados em laboratório, com o equipamento simulador de tráfego do \"Laboratoire des Ponts et Chaussées\", da França. A influência da temperatura de um concreto asfáltico, na sua capacidade de resistir deformações permanentes, foi também estudada e quantificada através dos ensaios de trilha-de-roda. O efeito desse parâmetro mostrou-se tão expressivo que não se pode deixar de considerá-lo nos projetos de misturas para concreto asfáltico de pavimentação. Foi ainda examinada a viabilidade de serem usados corpos-de-prova, moldados pelo método Marshall, em ensaios de fluência por compressão uniaxial estática e essa possibilidade parece não ter se mostrado muito promissora. / This work firstly presents a bibliographic survey of the methods nowadays used to evaluate the potential of the bituminous concrete to resist permanent deformations. It is shown that, in the present Brazilian technological context, the laboratory wheel-track test and the static uniaxial compression creep test seem to be more feasible and consistent rather than the traditional Marshall test method, that is the unique method being currently used in Brazil. In experimental program, the influence of the aggregate gradations in the permanent deformations in six asphalt concrete mixtures, three in the range \"C\" and another three in the range \"B\" of the NBR 12948 of the ABNT (1993) was studied. In this study, the proportions of coarse aggregates and filler showed significant effects on test results. Another purpose of this part of the program was to compare the results of two simple test methods - the Marshall test method and the static uniaxial compression creep test method- using as a reference the results of laboratory tracking tests dane in the LPC wheel-tracking rutting tester developed by the \"Laboratoire des Ponts et Chaussées\", in France. The influence of the asphalt concrete temperature in the capacity to resist to permanent deformations, was studied and evaluated by tracking tests. The effect of this factor was so expressive that can\'t be neglected in the design of asphaltic concrete paving mixtures. The viability of using Marshall specimens in static creep tests was also investigated and it has not seemed to be very promising.