Mechanical characterization of high modulus bituminous mixtures for base courses

High modulus bituminous mixtures are characterized by a higher value of the stiffness modulus if compared to traditional mixes; this is obtained with the addition of SBS polymers to the bitumen. The aim of this work is to determine the advantages of the increase of the stiffness modulus, especially from the point of view of fatigue resistance and tensile strength of the pavements in which it is used as a base course. The simulation of the structural response due to traffic loads, according to the variation of the stiffness modulus, was carried out with a multi-layer elastic system; advantages and disadvantages were evaluated in terms of stresses and strains values. After observing results obtained from modelling, a laboratory-scale tests campaign was carried out in order to compare the results obtained and validate the parameters used. Tests campaign, conducted in collaboration between Politecnico di Milano and TU Delft, regarded a high modulus bituminous mixture for base courses realized by mixing aggregates to polymer modified bitumen. From this mixture, blocks of compacted material were obtained, with the aid of a Shear Box Compactor. From each block either beams or cylindrical specimens were sawn. Beams were tested through four-point bending stiffness tests, at different temperatures and frequencies, and 4PBT fatigue tests, at different strain levels. Cylindrical specimens were used for Indirect Tension Tests at different strain rates. Results obtained from the tests campaign were then elaborated to determine a fatigue law which characterizes the behaviour of the material analyzed and it was compared with other mixtures. A further step of analysis was made by analyzing the influence of the stiffness modulus over the fatigue behaviour as well as over the indirect tension strength of the material was made taking into consideration applicative requirements.

I conglomerati bituminosi ad alto modulo sono caratterizzati da un modulo di rigidezza più elevato rispetto ai conglomerati tradizionali, ottenuto con l’apporto di polimeri che modificano il bitume. Lo scopo della caratterizzazione svolta è di determinare i vantaggi dell’applicazione di questi materiali in termini di durata a fatica e di resistenza a trazione delle pavimentazioni in cui sia utilizzato nello strato di base. La simulazione della risposta strutturale alle sollecitazioni da traffico, al variare del modulo, è stata effettuata attraverso l’utilizzo di un modello di tipo multi-strato elastico; vantaggi e svantaggi sono stati valutati in termini di aumento o diminuzione di sforzi e deformazioni. Alla luce dei risultati ottenuti dalla modellazione, una campagna di prove di laboratorio è stata effettuata per avvallare i risultati ottenuti e convalidare i parametri utilizzati. La campagna di prove ha riguardato un materiale ad alto modulo per strati di base realizzato attraverso la miscelazione, in opportune quantità, di aggregati e di bitume modificato con polimeri. Dalla miscela così ottenuta si sono compattati dei blocchi di dimensioni 150x150x450 mm, con l’impiego di un’apparecchiatura detta Shear Box Compactor, da cui sono stati, poi, ricavati travetti di dimensioni 50x50x40 mm, i quali sono stati testati attraverso prove di modulo a diverse temperature e frequenze e prove di fatica a diversi livelli di deformazione. Provini di forma cilindrica sono stati ricavati da altri blocchi e su di essi sono state condotte prove di resistenza a trazione indiretta a differenti velocità di deformazione.