Fatigue behavior of asphalt mixtures and development of fatigue models: a new mechanistic, energy-based approach using cyclic tension–compression AMPT testing

This thesis addresses the study of predictive models for the fatigue life of asphalt concrete pavements, that is, their behavior under cyclic and repeated loading. Fatigue is the phe nomenon underlying the bottom-up cracking of road pavements, one of the main forms of structural distress, with consequent road-safety concerns. The models currently avail able provide predictions that vary by several orders of magnitude and rest on a strongly empirical basis; this, besides undermining their reliability, requires extensive recalibration efforts, to adapt them to different local conditions. This work therefore examines a phys ically based approach, grounded in the analysis of the hysteresis loops and of the energy dissipated by the material as a parameter for monitoring damage propagation. This ap proach, originally developed for flexural fatigue tests on asphalt concrete beams, is here transferred to uniaxial tension–compression tests on cylindrical specimens, carried out by means of the Asphalt Mixture Performance Tester (AMPT); this configuration is indeed easier to perform and more readily reproducible across different contexts. The experimen tal campaign was conducted on eight mixtures from seven U.S. airports, on which several failure criteria were compared, including a novel criterion based on the shape degradation of the hysteresis loops. The approach was finally validated on specimens reproducing the material of the full-scale test sections built by the Federal Aviation Administration (FAA) at its National Airport Pavement Test Facility. The results successfully demonstrated the application of the dissipated-energy framework to cylindrical specimens, confirming the Plateau Value (PV) as a parameter suitable for use in a predictive fatigue model. In this way, starting from laboratory tests, a parameter was obtained that can constitute a valuable tool for the design of real pavements.

Il presente elaborato affronta lo studio dei modelli previsionali della vita a fatica delle pavimentazioni in conglomerato bituminoso, ovvero del loro comportamento sotto carichi ciclici e ripetuti. La fatica è il fenomeno alla base della fessurazione bottom-up delle pavimentazioni stradali, una delle principali forme di ammaloramento strutturale, con conseguenti criticità di sicurezza stradale. I modelli attualmente disponibili forniscono previsioni che variano di diversi ordini di grandezza e poggiano su un fondamento forte mente empirico; ciò, oltre a comprometterne l’affidabilità, richiede un oneroso lavoro di ricalibrazione per adattarli ai diversi contesti locali. Il presente lavoro esamina pertanto un approccio fisicamente basato, fondato sull’analisi dei cicli di isteresi e dell’energia dissipata dal materiale come parametro di controllo della propagazione del danno. Tale approccio, originariamente sviluppato per prove di fatica a flessione su travi di conglomer ato bituminoso, viene qui trasferito a prove uniassiali di trazione-compressione su provini cilindrici, condotte mediante l’Asphalt Mixture Performance Tester (AMPT); questa con figurazione risulta infatti più agevole da eseguire e più facilmente riproducibile in con testi differenti. La sperimentazione è stata condotta su otto miscele provenienti da sette aeroporti statunitensi, su cui sono stati confrontati diversi criteri di rottura, tra cui un criterio innovativo basato sulla degradazione della forma dei cicli di isteresi. L’approccio è stato infine validato su provini che riproducono il materiale delle sezioni di prova in scala reale, costruite dalla Federal Aviation Administration (FAA) presso la sua National Airport Pavement Test Facility. I risultati hanno dimostrato con successo l’applicazione del framework basato sull’energia dissipata ai provini cilindrici, confermando il Plateau Value (PV) come parametro idoneo all’impiego in un modello previsionale a fatica. Si è così ottenuto, a partire da prove di laboratorio, un parametro che può costituire un valido strumento per la progettazione delle pavimentazioni reali.