Im Straßenbau sind Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) die konstruktive Grundlage des frostsicheren Oberbaus unabhängig von der Bauweise oder der Belastungsklasse. Das mechanische Verformungsverhalten von ToB ist sowohl durch elastische als auch durch plastische Verzerrungen geprägt, wobei die Größe der jeweiligen Dehnungen/Stauchungen u. a. von der Art und Größe der Beanspruchung abhängt. Erschwerend kommt der Einfluss unterschiedlichster, derartige Gemische beeinflussender Randbedingungen hinzu. Verwiesen sei z. B. auf die Materialdichte, den Wassergehalt, Korngrößenverteilungen oder die Kornform. Die thermische Beanspruchung ungebundener Gesteinskorngemische (ofentrockener Zustand) innerhalb des Gebrauchstemperaturbereiches ist für das elastische Materialverhalten als unbedeutende Einflussgröße einzustufen. Dies gilt nicht mehr wenn Wasser im Material vorhanden ist und Temperaturänderungen vom positiven in den negativen °C-Temperaturbereich (oder entgegengesetzt) vorliegen. Die klimatischen Randbedingungen in Deutschland bedingen jedoch sowohl positive als auch negative °C-Temperaturen in den ToB, welche sehr häufig wechseln können. Deshalb ist ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung des elastischen Verformungsverhaltens von Gesteinskorngemischen unter triaxialen Bedingungen und zyklischer Beanspruchung sowie zusätzlicher thermischer Beeinflussung des Materials. Von besonderer Bedeutung hierbei ist die Untersuchung des mechanischen Verformungsverhaltens während des Aggregatzustandswechsels des im Gesteinskorngemisch existenten Wassers von der fluiden in die kristalline Zu-standsform im Zuge der Materialabkühlung bzw. von der kristallinen in die fluide Zustandsform im Zuge der Materialerwärmung. Für die Analyse des spannungsabhängigen Materialverhaltens bei unterschiedlichen Verdichtungsgraden und Wassergehalten sowohl mit als auch ohne zusätzliche thermische Beeinflussung des Materials, stellt die Erarbeitung einer geeigneten Prüfprozedur einen weite-ren essentiell erforderlichen Bearbeitungsschwerpunkt im Rahmen des Untersuchungsprogramms dar. Neben der bekannten Temperaturunabhängigkeit von ToB im positiven °C-Temperaturbereich (Gebrauchstemperaturbereich) kann im Ergebnis der vorliegenden Arbeit festgestellt werden, dass Gleiches gilt wenn das im Gesteinskorngemisch existente Wasser quasi-vollständig kristallisiert ist und dieser Zustand unverändert erhalten bleibt (bzw. eine weitere Abkühlung vorliegt), d. h. die Massenanteile von Wasser in fluider und kristalliner Form als konstant angesehen werden können. Temperaturzustände, welche zwischen den beiden zuvor genannten Sachverhalten eingeordnet werden können (unabhängig davon, ob ein Abkühlungs- oder Erwärmungsprozess vorliegt), beeinflussen das mechanische Verformungsverhalten des Materials infolge des Aggregatzustandswechsels von Was-ser im Gesteinskorngemisch erheblich. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen kann u. a. herausgearbeitet werden das nicht nur ohne sondern auch bei thermischer Beeinflussung der Wassergehalt dominanten Charakter aufweist. Ein steigender Wassergehalt führt bei thermisch unbeeinflusstem Mate-rial zum bekannten Anstieg der elastischen Materialantwort. Bei thermischer Beeinflussung tritt ein gegenteiliges Phänomen auf. Die elastische Dehnung nimmt bei gleichen Beanspru-chungsrandbedingungen und steigendem Wassergehalt (dränierte Bedingungen) erheblich ab und kann mit dem ansteigenden kristallinen Wasseranteil im Gesteinskorngemisch begründet werden. Die Spannungsabhängigkeit des Gesteinskorngemisches, welche für den thermisch unbeeinflussten Zustand bekannt ist, kann hierbei resultierend aus dem vergleichsweise geringen Kristallisationsfortschritt von Wasser zum Betrachtungszeitpunkt auch für den thermisch beeinflussten Zustand zu Beginn der Abkühlphase bzw. am Ende der Erwärmungsphase festgestellt werden. Sowohl bei quasi-vollständigem Durchfrieren als auch bei fortschrei-tender Materialabkühlung und damit steigender kristalliner Wasseranteile im Gesteinskorngemisch kann im Rahmen der festgelegten Prüfbedingungen, der festgelegten Prüfprozedur und der definierten Beanspruchungszustände linear elastisches Materialverhalten unterstellt werden.

Im Straßenbau sind Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) die konstruktive Grundlage des frostsicheren Oberbaus unabhängig von der Bauweise oder der Belastungsklasse. Das mechanische Verformungsverhalten von ToB ist sowohl durch elastische als auch durch plastische Verzerrungen geprägt, wobei die Größe der jeweiligen Dehnungen/Stauchungen u. a. von der Art und Größe der Beanspruchung abhängt. Erschwerend kommt der Einfluss unterschiedlichster, derartige Gemische beeinflussender Randbedingungen hinzu. Verwiesen sei z. B. auf die Materialdichte, den Wassergehalt, Korngrößenverteilungen oder die Kornform. Die thermische Beanspruchung ungebundener Gesteinskorngemische (ofentrockener Zustand) innerhalb des Gebrauchstemperaturbereiches ist für das elastische Materialverhalten als unbedeutende Einflussgröße einzustufen. Dies gilt nicht mehr wenn Wasser im Material vorhanden ist und Temperaturänderungen vom positiven in den negativen °C-Temperaturbereich (oder entgegengesetzt) vorliegen. Die klimatischen Randbedingungen in Deutschland bedingen jedoch sowohl positive als auch negative °C-Temperaturen in den ToB, welche sehr häufig wechseln können. Deshalb ist ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung des elastischen Verformungsverhaltens von Gesteinskorngemischen unter triaxialen Bedingungen und zyklischer Beanspruchung sowie zusätzlicher thermischer Beeinflussung des Materials. Von besonderer Bedeutung hierbei ist die Untersuchung des mechanischen Verformungsverhaltens während des Aggregatzustandswechsels des im Gesteinskorngemisch existenten Wassers von der fluiden in die kristalline Zu-standsform im Zuge der Materialabkühlung bzw. von der kristallinen in die fluide Zustandsform im Zuge der Materialerwärmung. Für die Analyse des spannungsabhängigen Materialverhaltens bei unterschiedlichen Verdichtungsgraden und Wassergehalten sowohl mit als auch ohne zusätzliche thermische Beeinflussung des Materials, stellt die Erarbeitung einer geeigneten Prüfprozedur einen weite-ren essentiell erforderlichen Bearbeitungsschwerpunkt im Rahmen des Untersuchungsprogramms dar. Neben der bekannten Temperaturunabhängigkeit von ToB im positiven °C-Temperaturbereich (Gebrauchstemperaturbereich) kann im Ergebnis der vorliegenden Arbeit festgestellt werden, dass Gleiches gilt wenn das im Gesteinskorngemisch existente Wasser quasi-vollständig kristallisiert ist und dieser Zustand unverändert erhalten bleibt (bzw. eine weitere Abkühlung vorliegt), d. h. die Massenanteile von Wasser in fluider und kristalliner Form als konstant angesehen werden können. Temperaturzustände, welche zwischen den beiden zuvor genannten Sachverhalten eingeordnet werden können (unabhängig davon, ob ein Abkühlungs- oder Erwärmungsprozess vorliegt), beeinflussen das mechanische Verformungsverhalten des Materials infolge des Aggregatzustandswechsels von Was-ser im Gesteinskorngemisch erheblich. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen kann u. a. herausgearbeitet werden das nicht nur ohne sondern auch bei thermischer Beeinflussung der Wassergehalt dominanten Charakter aufweist. Ein steigender Wassergehalt führt bei thermisch unbeeinflusstem Mate-rial zum bekannten Anstieg der elastischen Materialantwort. Bei thermischer Beeinflussung tritt ein gegenteiliges Phänomen auf. Die elastische Dehnung nimmt bei gleichen Beanspru-chungsrandbedingungen und steigendem Wassergehalt (dränierte Bedingungen) erheblich ab und kann mit dem ansteigenden kristallinen Wasseranteil im Gesteinskorngemisch begründet werden. Die Spannungsabhängigkeit des Gesteinskorngemisches, welche für den thermisch unbeeinflussten Zustand bekannt ist, kann hierbei resultierend aus dem vergleichsweise geringen Kristallisationsfortschritt von Wasser zum Betrachtungszeitpunkt auch für den thermisch beeinflussten Zustand zu Beginn der Abkühlphase bzw. am Ende der Erwärmungsphase festgestellt werden. Sowohl bei quasi-vollständigem Durchfrieren als auch bei fortschrei-tender Materialabkühlung und damit steigender kristalliner Wasseranteile im Gesteinskorngemisch kann im Rahmen der festgelegten Prüfbedingungen, der festgelegten Prüfprozedur und der definierten Beanspruchungszustände linear elastisches Materialverhalten unterstellt werden.

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

Numerous research efforts have been devoted to characterizing the behavior of granular materials, which is one of the main concerns of pavement engineers. For better understanding of this behavior, laboratory tests where in-situ stress conditions and traffic loads are adequately simulated are needed. This study makes use of an expanded test protocol called a performance test that includes resilient modulus as well as permanent deformation testing. This test protocol determines three nonlinear resilient modulus parameters (k1, k2, k3) and two permanent deformation parameters (?,??). The resilient modulus test results are required inputs in the Level 1 analysis of the proposed American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) Pavement Design Guide. In addition, both resilient modulus and permanent deformation test results provide material property inputs to pavement performance prediction models. This study also evaluated the within laboratory repeatability of the performance test and developed a within laboratory precision statement. Further, a statistical analysis was conducted on the test results to estimate the number of test specimens required for testing for specific reliability levels. Two test specimens are required for a reliability level of 15%. A within laboratory study was also conducted to investigate the influence of specimen size on test results. The specimen height was reduced from 12 in. (304 mm) to 8 in. (203 mm), and there was no difference in test results at a confidence level of 95%. The performance test was further used successfully in subsequent studies to evaluate the behavior of granular materials and the influence of various factors on their behavior. As fines content increased, the resilient modulus values decreased and permanent deformation increased. As the moisture content increased, the resilient modulus value decreased and the resistance to permanent deformation decreased. A simplified laboratory measurement tool that is repeatable, relatively cheap and easy to perform might prompt the use of laboratory measured values of resilient modulus in pavement design and facilitate correlation of these values to field measured values on a large scale. Use of measured data for the base properties rather than estimates would insure improved pavement designs and, in many cases, would save money in construction costs.

Unbound granular materials (UGMs) used in the base and sub-base layers of flexible pavements play a significant role in the overall performance of the structure. Proper understanding and characterization of the deformation behaviour of UGMs in pavement structures are, therefore, vital for the design and maintenance of flexible pavements. In this study, the resilient deformation (RD) and the permanent deformation (PD) behaviour of UGMs were investigated for the better understanding and improved modelling of these deformation characteristics. The study is based on a series of repeated-load triaxial (RLT) tests carried out on several UGMs commonly used in pavement structures. Here, the influences of stress level and moisture content - two of the most significant factors affecting the deformation behaviour of UGMs - were analysed. The effects of the grain size distribution and the degree of compaction were also considered. The study on the RD behaviour indicated that the resilient stiffness (MR)of UGMs increases with the increased bulk stress level, which can be satisfactorily described by the k-θ model. Moisture was found to negatively impact the MR as long as the deformation was mostly resilient with a negligible amount of accumulated PD. Analysis of the influence of moisture on the parameters k1 and k2 of the k-θ model showed that k1 decreases with increased moisture and k2 is relatively insensitive to moisture. Based on these observations, a simple model was developed for the impact of moisture on MR. The performance of this model was comparable to an existing moisture dependent MR model. In contrast, it was further observed that at the later stages of the RLT tests, after a relatively large number of load applications, the MR increased with increased moisture up to the optimum moisture content. This occurred when the RD was accompanied by a significant amount of PD. Further investigation suggested that moisture aided the post-compaction (PC) and possible particle rearrangement that resulted in the increased PD and increased MR. In this case k1 decreased, whereas k2 increased, with increased moisture. The existing MR-moisture model did not work for this behaviour. This suggests that the effect of PC on MRshould be considered in modelling. However, although not explored in this study, it may be possible to simulate this effect of increase in MR with increased moisture due to PC using the proposed model if k2 is expressed as a function of moisture. The PD characteristics of UGMs were investigated based on the multistage (MS) RLT test. In contrast with the single stage (SS) RLT test, the MS RLT test accounts for the effect of stress history and enables a comprehensive study of the material behaviour under cyclic stresses of various magnitudes. Since the existing PD models cannot be directly applied for the MS loading procedure, a general formulation based on the time hardening concept was derived that can be used to extend the models for the MS loading conditions. Based on this formulation, some of the current models were calibrated and their performance in predicting the PD behaviour in MS RLT tests was compared. The investigation regarding the impact of moisture on PD showed that moisture significantly increases the accumulation of PD. Generally, materials with finer grading showed more sensitivity to moisture with regards to both PD and RD. To characterize the impact of moisture, moisture sensitivity of different grain size distributions and the impact of the degree of compaction on PD with reduced effort, a simple model was proposed. Unlike some of the well-performing existing models, this model can be calibrated using a single MS RLT test without requiring any separate static failure triaxial tests. This model was validated using the MS RLT test data with satisfactory results. The sensitivity of the parameters of this model was studied with respect to moisture content, degree of compaction and grain size distribution. Some reasonable trends for the sensitivity of the parameters to these influential factors were obtained, which suggests that these may be further developed to incorporate into the model. / <p>QC 20150325</p>

Traditionally, the resilient modulus values obtained from repeated unconfined or triaxial compression tests are used as the elastic modulus of granular layers in structural analysis of flexible pavements. Sometimes the resilient modulus of granular materials are estimated from known California bearing ratios (CBR) or stabilometer resistance (R) values by simple regression equations. On the other hand, it is well known that stress-strain relation for unbound granular materials is nonlinear and the resilient modulus increases with the increase in stress intensity. There exist several models for stress dependent nonlinear behavior of unbound granular materials. These models are incorporated into elastic layered analysis by applying a method of successive approximations in order to get more realistic pavement responses. Kenlayer is a popular computer program incorporating nonlinear behavior of granular materials in elastic layered system. In this computer program, the resilient modulus of granular materials are varied in vertical direction only, without considering variations in radial direction. In this study, simplest model namely K-Q model for stress dependency of granular layer is applied in structural analysis of flexible pavements. This model is adopted for use in finite element analysis carried by SAP90 software. Analyses are performed over 24 different three-layered pavement structures by changing asphaltic concrete modulus values, granular base thicknesses, base materials and subgrade modulus values. Critical pavement responses namely tensile strains at the bottom of asphaltic surface layers and compressive strains on top of subgrade are obtained for each pavement by linear layered elastic, nonlinear layered elastic and nonlinear finite element solutions. The pavement lives are calculated by using selected performance equations. The results of layered systems and finite element solutions are compared. It is observed that, results obtained from finite element model and linear elastic solutions differ considerably.

Recently, there has been growing interest on the behaviour of unbound granular material in road base layers. Researchers have studied that the design of a new pavement and prediction of service life need proper characterization of unbound granular materials, which is one of the requirements for a new mechanistic design method in flexible pavement. Adequate knowledge of the strength and deformation characteristics of unbound layer in pavements is a prerequisite for proper thickness design, residual life determination, and overall economic optimization of the pavement structure. The current knowledge concerning the granular materials employed in pavement structures is limited. In addition, to date, no general framework has been established to explain satisfactorily the behaviour of unbound granular materials under the complex repeated loading which they experience. In this study, a conceptual method, packing theory-based model is introduced; this framework evaluates the stability and performance of granular materials based on their packing arrangement. In the framework two basic aggregate structures named as Primary Structure (PS), and Secondary Structure (SS). The Primary Structure (PS) is a range of interactive grain sizes that forms the network of unbound granular materials. The Secondary Structure (SS) includes granular materials smaller than the primary structure. The Secondary Structures fill the gaps between the particles in the Primary Structure and larger particles essentially float in the skeleton. In this particular packing theory-based model; the Primary Structure porosity, the average contact points (coordination number) of Primary Structure, and a new parameter named Disruption Potential are the key parameters that determine whether or not a particular gradation results in a suitable aggregate structure. Parameters mentioned above play major role in the aggregate skeleton to perform well in terms of resistance to permanent deformation as well as load carrying capacity (resilient modulus). The skeleton of the materials must be composed of both coarse enough and a limited amount of fine granular materials to effectively resist deformation and carry traffic loads. / QC 20120601

A new simple design approach will be described that utilizes test results from the Repeated Load Triaxial Apparatus to establish the risk level of permanent deformations in the unbound granular layers (UGL) in pavement constructions under consideration of the seasonal effects. From this data a serviceability limit line (plastic shakedown limit) stress boundary for the unbound granular materials (UGM) was defined for different moisture contents. Below this line the material will have stable behavior. The serviceability limit line was applied in a finite-element (FE)-program FENLAP to predict whether or not stable behavior occurs in the UGM. To calculate the stress in the UGL, a nonlinear elastic model (Dresden Model), which is described in the paper, was implemented into the FE-program. The effects of changing moisture content during Spring-thaw period and asphalt temperature on pavement structural response were investigated. Additionally, permanent deformation calculations for the UGL were performed taking the stress history into consideration. The results clearly demonstrate that, for pavement constructions with thick asphalt layers, there is no risk of rutting in the granular base, even at high number of load repetitions. The study showed that the proposed design approach is a very satisfactory simple method to assess the risk against rutting in the UGL, even without the calculation of the exact permanent deformation of the pavement construction.

A new simple design approach will be described that utilizes test results from the Repeated Load Triaxial Apparatus to establish the risk level of permanent deformations in the unbound granular layers (UGL) in pavement constructions under consideration of the seasonal effects. From this data a serviceability limit line (plastic shakedown limit) stress boundary for the unbound granular materials (UGM) was defined for different moisture contents. Below this line the material will have stable behavior. The serviceability limit line was applied in a finite-element (FE)-program FENLAP to predict whether or not stable behavior occurs in the UGM. To calculate the stress in the UGL, a nonlinear elastic model (Dresden Model), which is described in the paper, was implemented into the FE-program. The effects of changing moisture content during Spring-thaw period and asphalt temperature on pavement structural response were investigated. Additionally, permanent deformation calculations for the UGL were performed taking the stress history into consideration. The results clearly demonstrate that, for pavement constructions with thick asphalt layers, there is no risk of rutting in the granular base, even at high number of load repetitions. The study showed that the proposed design approach is a very satisfactory simple method to assess the risk against rutting in the UGL, even without the calculation of the exact permanent deformation of the pavement construction.