| dc.description.abstract | Med et ønske om å bytte ut det eksisterende empiriske dimensjoneringssystemet for dekkekonstruksjoner med et mer analytisk system, har Vegdirektoratet i samarbeid med NTNU og Trafikverket i Sverige startet arbeidet med FoU-programmet VegDim og utviklingen av et nytt mekanistisk-empirisk dimensjoneringssystem for vegbygging kalt ERAPave PP. ERAPave PP skal bli et verktøy tilpasset norske forhold og byggemetoder, slik at det ved planlegging og optimalisering av vegkonstruksjoner også kan bli tatt hensyn til livsløpskostnader og miljøeffekter. Som en del av forarbeidet til dette prosjektet og utviklingen av et nytt dimensjoneringssystem vil innhenting av materialparametere for norske vegbyggingsmaterialer til oppbygging av en materialdatabase være sentralt. I denne anledning skal det utføres testing av stivhetsegenskaper til norske asfaltmaterialer gjennom syklisk indirekte strekk-forsøk. Stivhetsegenskapene skal representeres i en masterkurve for dynamisk E-modul.
Hensikten med masterkurven er å bestemme E-modulen for enhver vilkårlig kombinasjon av belastningsfrekvens og temperatur. På bakgrunn av forsøksdata innenfor et begrenset temperatur- og frekvensintervall kan en ved hjelp av en referansetemperatur og prinsippet om tid-temperatur superposisjon modellere materialets dynamiske E-modul i hele det lineære-viskoelastiske området. Temperaturavhengigheten til materialet beskrives ved hjelp av en shiftfaktormodell. Relevant faglitteratur og flere studier har foreslått ulike metoder og matematiske modeller for å modellere shiftfaktoren og den resulterende masterkurven.
På grunn av koronapandemien ble fremgangsmåten i tilknytning til masteroppgaven som omfattet laboratorieundersøkelse av norske asfaltmaterialer forkastet. Laboratorieundersøkelsen ble erstattet med en modelleringsoppgave, der et utvalg analytiske metoder foreslått av litteraturen ble sammenlignet. Analysegrunnlaget er tilsendte forsøksdata fra Tyskland som inkluderer fire tyske dekkematerialer, både modifiserte og umodifiserte. For at det tyske forsøksgrunnlaget skulle være adaptivt til norske forhold ble materialutvalget valgt slik at det var sammenliknbart med tilsvarende norske materialer, til tross for at det tyske utvalget inneholder noe stivere bindemidler enn det som er normalt å bruke i Norge. På denne måten kan oppgavens resultater gjennom modellanbefalinger være et bidrag til VegDim til tross for at resultatene ikke direkte kan implementeres i systemet.
Modellkombinasjonene ble vurdert etter to kriterier. Det første kriteriet er tyngst vektlagt og omhandler hvor godt modellene tilpasser seg forsøksdataene gjennom en «goodness-of-fit»-statistikk. Det andre kriteriet er tilknyttet modellenes konstanter, som beskriver materialenes stivhetsegenskaper. Konstantene er vurdert etter hvor logiske og reelle verdiene er i forhold til hvordan de gjenspeiles i kurveforløpene, og hva tilsvarende forskning viser. En god modellkombinasjon tilfredsstiller begge kriteriene.
Blant oppgavens resultater er det gjort følgende hovedfunn. Masterkurvemodellen standard logistisk sigmoidmodell og shitfaktormodellen Kaelble-funksjonen viser de minst presise tilnærmingsresultatene for både umodifiserte og modifiserte asfaltmaterialer. Kaelble-funksjonen gir i noen tilfeller ulogiske resultater for svært lave temperaturer, og polynomfunksjonen har vist å kunne gi ulogiske resultater for høye temperaturer. For å beskrive umodifiserte materialer viser masterkurvemodellene Generalisert logistisk sigmoidmodell (GLSM) og Christensen- Anderson-Marasteanu modellen (CAM), og shiftfaktormodellene Arrhenius-, WLF- og polynomfunksjonen de mest presise resultatene. Modellkombinasjonen CAM-modellen med WLF-funksjonen skilte seg ut som mest presis for beskrivelse av modifiserte materialer. | |
| dc.description.abstract | With the desire to exchange the existing empirical pavement design system with a more analytical system, the Norwegian public roads administration in cooperation with NTNU and the Swedish road administration has started a new R&D program called VegDim and the development of a mechanistic-empirical pavement design system called ERAPave PP. ERAPave PP is going to be a tool adapted to Norwegian conditions and construction methods such that life cycle cost and environmental effects can be accounted for during planning and optimization of pavement structures. As a part of the preparatory work of developing a new design system, establishing a database of material properties for Norwegian pavement materials is essential. For this purpose, a laboratory study assessing asphalt mixture master curves based on Cyclic Indirect Tensile Test (CITT) is needed.
The function of the master curve is to determine the stiffness modulus for an arbitrary combination of frequency and temperature. Based on the frequency-temperature superposition principle and a reference temperature, the dynamic modulus master curve can be constructed using a limited extent of test data within a defined span of temperatures and frequencies. The temperature dependency of the material is described by a shift factor model. Literature and several studies have proposed different methods and mathematical functions to model the shift factor and the resulting master curve.
Due to the COVID-19 pandemic, the initial laboratory study on Norwegian pavement materials which was to be included in this thesis, was rejected and replaced by a comparative analysis of a limited excerpt of various mathematical methods suggested by the literature. The experimental basis for the comparative analysis was laboratory test data sent from Germany, that included four German surface materials, both modified and unmodified. To have the comparative study adopted to Norwegian conditions, the German material selection was chosen specifically to be comparable to similar Norwegian surface materials even though the German materials had stiffer binders than normally used in Norway. Hence the results of the comparative study including recommendations of master curve and shift factor models, can be a contribution to the new pavement design system even though the results cannot directly be implemented in the system.
The methodology to evaluate the different methods was based on using the laboratory test data and comparing the resulting master curves for each material through correlation analysis and “goodness-of-fit”- statistics. In addition, the model constants that describe the stiffness properties of the material, were compared to how realistic the constant values were reflected in the resulting curve, and how the values compared to similar studies. A good model refers to both an excellent “goodness-of-fit”-statistics, and logical model constants that reflect the stiffness properties of the material.
Finally, both the graphical and statistical comparisons are presented, revealing the following main results. The standard logistic sigmoidal model (SLSM) and the Kaelble-equation, showed the weakest fit between measured and predicted data for both the modified and unmodified materials. In some cases the Kaelble-equation predicts illogical results for very low temperatures, and the second order polynomial equation for high temperatures. For the unmodified materials both the generalized logistic sigmoidal model (GLSM) and the Christensen-Anderson-Marasteanu model (CAM), combined with the Arrhenius, William-Landel-Ferry (WLF) and second order polynomial equation, showed excellent fit between measured and predicted data. As for the modified materials, the model combination between the CAM-model and WLF-equation resulted in the best fit between measured and predicted data. | |
