Analisi teorico-numerica sulla resistenza a fatica di pavimentazioni in conglomerato bituminoso rinforzate con interstrati sintetici

The present study aims to analyze the fatigue behavior of asphalt concrete pavements reinforced with geosynthetics. In particular, within this broad family, the analysis was focused on geocomposites. Their application generally occurs at the interface between asphalt layers. As part of a maintenance operation, the geocomposite was interposed between an existing and completely cracked asphalt layer and a new overlay. Although geosynthetics have been used as reinforcement in asphalt pavements for many years, a solid scientific basis, demonstrating the effectiveness of these materials in increasing pavements fatigue life, is still lacking. The present study analyzes two types of pavements: flexible and semi-rigid. A two-dimensional finite element model was developed using Abaqus software in order to study reflective cracking; i.e., the crack propagation to the surface of the overlay. The crack propagation was studied both in the case of unreinforced and reinforced pavements. In particular, two locations of the load with respect to the crack position were investigated for the two types of pavements: centered load and edge load. Since asphalt concrete is a temperature sensitive material, the effect of temperature was also considered by appropriately varying the mechanical properties of the asphalt layers according to seasons: elastic modulus and Poisson's ratio. The Stress Intensity Factor (SIF), a parameter used to define the magnitude of the crack tip stress field, was then calculated at different positions of the crack using the Finite Element Method. The knowledge of the SIF allowed the estimation of the number of loading cycles for the crack to propagate to the surface of the overlay using Paris Law, which is valid in linear elastic Fracture Mechanics. Hence, the geocomposite efficiency was calculated.

Il presente studio si pone l’obiettivo di analizzare il comportamento a fatica di pavimentazioni in conglomerato bituminoso rinforzate con geosintetici. In particolare, l’attenzione è ricaduta sui geocompositi, la cui applicazione avviene generalmente all’interfaccia tra strati in conglomerato bituminoso. Nell’ottica di un intervento di manutenzione, si è considerato il geocomposito interposto tra uno strato in conglomerato bituminoso esistente completamente fessurato e uno strato nuovo di ricarica. Benché l’utilizzo dei geocompositi come rinforzo nelle pavimentazioni in conglomerato bituminoso sia ormai diffuso da diversi anni, ancora oggi manca una solida e comprovata base scientifica che dimostri l’efficacia di questi materiali nell’incrementare la vita a fatica delle pavimentazioni. In questo contesto si colloca il presente studio che, attraverso un modello a elementi finiti bidimensionale, implementato nel software Abaqus, analizza due tipologie di pavimentazione, flessibile e semirigida, studiando il fenomeno del reflective cracking, simulando cioè la risalita di una fessura all’interno dello strato di ricarica sia nel caso non rinforzato, sia in quello rinforzato. In particolare, sono state analizzate, per le due tipologie di pavimentazione di cui sopra, due condizioni di carico: centrato e decentrato rispetto alla posizione della fessura. Si è inoltre tenuto conto dell’effetto della temperatura, e quindi del differente comportamento della pavimentazione nei diversi periodi dell’anno, variando opportunamente le proprietà meccaniche del conglomerato bituminoso: modulo elastico e coefficiente di Poisson. Attraverso il modello a elementi finiti si è quindi calcolato, per ogni posizione della fessura considerata, il relativo Fattore di Intensificazione degli Sforzi (SIF), parametro che descrive lo stato tensionale all’apice del difetto. Tramite la conoscenza del SIF, attraverso l’utilizzo della Legge di Paris, valida nel campo della Meccanica della Frattura lineare elastica, è stato possibile stimare il numero di cicli di carico necessario per la risalita della fessura e calcolare il rendimento del geocomposito.