Investigation of causes to blistering in asphalt pavements

Abstract

Gjennom årene er det blitt foreslått flere hypoteser om årsakene til blemmer i asfaltdekker. Den vanligste oppfatningen har vært at det oppstår en vann- og/eller gassfylt lomme mellom de øvre asfaltlagene, eller i selve asfaltlaget. Når dekket varmes opp av solen på varme sommerdager oppstår blemmene på grunn av luftekspansjon og damptrykk. Blemmer i asfaltdekket fører til utilfredsstillende jevnhet, og kan skape strekkspenninger som forårsaker oppsprekking. Etter hvert kan sprekker i dekket utvikle seg til slaghull. Løse asfaltpartikler som produseres i denne prosessen representerer en risiko for flysikkerheten ved blemmeproblematikk i asfalterte taxi- og rullebaner på flyplasser. Denne studien har undersøkt årsakene og mekanismene til formasjonen av blemmer, og ble initiert på grunn av økende forekomst av fenomenet ved norske flyplasser og veger. Studien har fokusert på en grundig gjennomgang av teorien om luftekspansjon og damptrykk som årsak til blemmene. Det er også gjennomført forsøk med formål å gjenskape blemmer i laboratorieproduserte asfaltplater, i tillegg til diskusjon av foreløpige undersøkelser og observasjoner av blemmeforekomster på norske veger og flyplasser. Resultater fra forsøket indikerer at blemmer kan oppstå selv ved relativt lave trykk og temperaturer. Den tids- og temperaturavhengige viskøse deformasjonsresponsen i asfaltmaterialer gjør at sakte genererte trykk fra luftekspansjon og damptrykk over tid kan skape blemmer i asfaltdekket. For at blemmene skal oppstå på grunn av oppvarming gjennom solstråling, må asfaltdekket være praktisk talt impermeabelt for vanndamp, og volumet av luft og fuktighet fanget under asfaltdekket må være tilstrekkelig. Egenskaper og/eller skader i underliggende asfaltlag som gjør at et større volum av luft og fuktighet er fanget under dekket kan derfor muligens øke risikoen for blemmer.

Over the years, several hypotheses have been proposed for the causes of blistering in asphalt pavement surface layers. The most common perception is that a water and/or gas-filled pocket is created in between the different asphalt layers, or in the asphalt layer itself. When subjected to solar radiation the blisters grow because of air expansion and vapor pressure. Blisters in the pavement surface layer leads to unsatisfactory evenness and can create tensile stresses that cause cracking. Eventually, cracks in the overlay can develop into potholes. Loose asphalt particles produced during this process represent a risk to air traffic safety in case of blistering problems in paved taxiways and runways at airports. This study, investigating the causes and mechanisms for blistering was initiated because of increasing occurance of the phenomenon at Norwegian airports and roads. It has focused on a thorough review of the theory of air expansion and vapor pressure as the cause of the blistering. In addition, a experiment has been carried out with the aim of recreating blisters in laboratory-produced asphalt concrete slabs. Results from the experiment indicate that blisters can occur even at relatively low pressures and temperatures. The time- and temperature dependent viscous stress response in asphalt materials, means that slowly generated pressures by air expansion and vapor pressure can over time create blisters in the asphalt concrete overlay. In order for the blisters to arise because of solar radiation, the asphalt concrete surface layer must be practically impermeable to water vapor, and the volume of trapped air and moisture below the surface layer must be sufficient. Properties and/or damages to subsurface layers that allow a greater volume of air and moisture to be trapped underneath the overlay may therefore increase the risk of blistering.