Endurance limit of a T2 standard pavement determined with the full-scale mobile load simulator MLS10

• Research unit: FEDRO RBT
• Project number: ASTRA2011/004

Key words (German)

Versagensgrenze, Verkehrslastklasse, Verkehrslastsimulation; Beschleunigte Belagsprüfung; Leistungsfähigkeit von Asphaltbelägen; Tragfähigkeit; Strassen Dimensionierung

Key words (English)

Endurance limit, Traffic-Load Class, Traffic Simulation; Accelerated Pavement Testing; Performance of Asphalt  Pavements,  Bearing Capacity; Road Design

Short description (German)

In diesem Projekt wird die mechanischen Versagensgrenze eines für die Verkehrslastklasse T2 praxiskonform auf einem Versuchsfeld 20 x 5m neu eingebauten Norm-Belages infolge beschleunigter Verkehrslastsimulation mit der mobilen Grossversuchsanlage MLS10 ermittelt. Es ist ein typischer Belag der Oberbautyps 1, T2, S2 vorgesehen, bestehend aus 3.5cm  AC 11N auf 6.5cm AC T22 N und 35cm KS I. Die Belastung mit der MLS10 erfolgt unmittelbar nach dem Einbau mit 6000 unidirektionaler Überrollungen pro Stunde und einer 6.5t Radlast, mittels Super Single Reifen. Für diese Torture-Tests wird mit maximal 1.5 mio Überrollungen gerechnet.

Zur Erfassung der Schädigungsentwicklung werden im Belag verschiedene Temperatur-, Dehnungs- und Beschleunigungs-Sensoren eingebaut. Zudem werden wie bereits in den bisherigen MLS10 Projekten periodische Messungen des Querprofils und des Steifigkeitsverhaltens sowie visuelle Riss- und Abriebkontrollen durchgeführt.

Um die Veränderung der mechanischen Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer unter natürlicher Witterung erfassen und beurteilen zu können, werden neben diesen begleitenden Zustandsmessungen vor Ort theoretische Modell-Berechnungen durchgeführt. Zu diesem Zweck, werden aus dem Belag vor und nach der MLS10 Belastung Bohrkerne entnommen und im Labor die notwendigen Materialkennwerte bestimmt. Durch beispielhafte Teil-Bewertung des konkreten Oberbaus wird somit eine Basis für entsprechende Versagens-Tests von innovativen neuen T2 Belägen mit der MLS10 erarbeitet.

Short description (English)

In this Project, the mechanical endurance limit of a standard pavement for traffic load class T2 is determined through accelerated traffic simulation with the full-scale mobile load simulator MLS10. This pavement will be been newly constructed on a test field 20 x 5m in a practice conform way. It is a typical pavement with a Swiss pavement structure type 1, T2, S2, composed of a 3.5 cm AC 11 N placed on a 6.5cm AC T22 N and a 35cm thick KS I. Loading with MLS10 starts immediately after construction with 6000 unidirectional wheel passings per hour and a 6.5t super single tire wheel load. These torture tests are expected to require 1.5 wheel passings.

For damage observation, different temperature, strain and acceleration sensors will be installed.

Project description (German)

max. 1 A4-Seite ohne Tabellen und Graphiken

In der heutigen Norm SN 640 324b werden für verschiedene Verkehrs- und Tragfähigkeitsklassen bestimmte Oberbautypen angegeben. Diese beruhen auf umfangreichen praktischen Erfahrung aufgrund der systematischen Zustandserfassungen des schweizerischen Strassennetzes, vornehmlich der Nationalstrassen, sowie auf gezielten Beobachtung Beobachtungen von Versuchsstrecken im Massstab 1:1 unter realer Verkehrslast (z.B. Fritz et al, 1992; Partl et al, 1996) und experimentellen Untersuchungen (z.B. Junker, 2008), die grösstenteils mit dem mittlerweile abgerissenen Rundlauf der ETH (z.B. Scazziga et al., 1994)  aber auch mit der ebenfalls abgerissenen Halle Fosse der ETH Lausanne (z.B. Perret et al.) durchgeführt wurden. Rundlauf und Halle Fosse dienten der beschleunigten Verkehrslastsimulation, und damit dem Erzielen rascher reproduzierbarer Aussagen über die Leistungsfähigkeit von Strassenoberbauten.

Die kürzlich beschaffte mobile Grossversuchsanlage MLS10, erlaubt ähnlich gezielte Untersuchungen, allerdings mit dem Vorteil, dass das Gerät wegen seiner Mobilität auch auf tatsächlich befahrenen Strassen eingesetzt werden kann (Bild 1) aber auch mit dem Nachteil, dass erst ein entsprechender Erfahrungshintergrund mit konkreten Belägen geschaffen werden muss. Mit dem Projekten ASTRA 2007/11 und ASTRA 2010/005 OBF wurde die Kalibrierung der MLS10 im Jahre 2010 erfolgreich abgeschlossen (Schlussbericht zur Review durch den Nutzerbeirat, bzw. Begleitkommission ist in Vorbereitung).  Die MLS10, ein Prototyp aus Südafrika, kann nunmehr hinsichtlich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Betrieb für Praxistests eingesetzt werden, wie dies z.B. für das Projekt VSS 2008/503 selbst unter extremsten Winterbedingungen bereits bestätigt wurde.

Bild 1: MLS10

 

Dieses Projekt dient der Ermittlung der mechanischen der Versagensgrenze und der Schädigungsentwicklung eines für die Verkehrslastklasse T2 praxiskonform auf einem Versuchsfeld 20 x 5m neu eingebauten Norm-Belages infolge beschleunigter MLS10 Verkehrslastsimulation bei realer voralpiner Klimabeanspruchung (Übergang Winter-Sommer), um eine Ausgangsbasis und vergleichende Grundlage für entsprechende Untersuchungen der Versagensgrenze von innovativen neuen Belägen im Rahmen anderer Forschungsprojekte zu erarbeiten. Die Wahl eines Oberbaus für T2 ist einerseits in dessen Bedeutung begründet (speziell auch im kommunalen Bereich), wo die Belastungen durch die lokale Intensivierung von Gewerbe und öffentlichem Verkehr mit Bussen stetig anwächst, aber auch darin, dass sich solche Aufbauten wegen ihrer geringen Tragfähigkeit besonders gut eignen, als 1:1 Referenzsysteme für die rasche Bewertung der Leistungsfähigkeit einzelner Belagsmaterialien in den auch bei Hochleistungsstrassen stark beanspruchten oberflächennahen Schichten zu dienen. Nicht von ungefähr werden neue Belagsmaterialien wegen der geringeren Versagenskonsequenzen in ersten Eignungstest häufig zunächst auf solchen untergeordneten Strassen eingebaut.

Vorgesehen und vom Nutzerbeirat der MLS10 unter der Leitung des ASTRA unterstützt wird die Realisierung und Prüfung eines Versuchsfeldes auf dem Gelände der Walo Bertschinger AG in Wimmis bis Sommer 2011. Der Testbetrieb auf diesem Gelände bietet sich deshalb an, weil die notwendigen Infrastrukturen für den Betrieb, Werkstatt, Unterstand etc. zur Verfügung stehen. Wegen der zeitlichen Randbedingungen ist es wichtig, dass das Projekt rechtzeitig gestartet werden kann.

Es ist ein typischer Belag der Oberbautyps 1, T2, S2 mit folgendem Aufbau vorgesehen:

AC 11 N, 3.5 cm auf AC T 22 N, 6.5 cm auf Kiessand I, 35 cm auf Vliesmatte

Die Belastung mit der MLS10 erfolgt unmittelbar nach dem Einbau mit 6000 unidirektionalen Überrollungen pro Stunde und einer 6.5t Radlast, mittels Super Single Reifen 495/45 R22.5 ohne Quer-Pendelung. Für diese Torture-Tests wird mit maximal 1.5 mio Überrollungen gerechnet.

Zur Erfassung der Schädigungsentwicklung werden im Belag verschiedene Temperatur-, Dehnungs- und Beschleunigungs-Sensoren eingebaut (Bild 2), die sich bereits in den Projekten ASTRA 2007/11 und ASTRA 2010/005 OBF bewährt haben (Arraigada, 2010; Pugliessi et al., 2010; Partl et al., 2010). Da der Belag speziell für diese Messungen hergestellt wird, können die Sensoren auch zwischen den Schichten eingebaut werden. Zudem werden wie bereits in den bisherigen MLS10 Projekten periodische Messungen des Querprofils und des Steifigkeitsverhaltens mit FWD, PSPA und ETH-Delta (Bild 3) sowie visuelle Riss- und Abriebkontrollen und falls notwendig GPR durchgeführt. Details zu den Messverfahren im Zusammenhang mit der MLS10 finden sich in Karcher et al. (2010), Partl et al (2010), Rabaiotti et al (2008), Hugo et al (2008).

Bild 2: Dehnungsamplituden vs. Überrollungen              Bild 3: Einsenkungen mit ETH-Delta gemessen

Graphiken siehe link unten

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• Graphiken.pdf [PDF] 156 kB

Expected findings/ usefulness, beneficiaries (German)

Vom Projekt wird Aufschluss über die mechanische Versagensgrenze eines neu eingebauten Norm- Belag des Oberbautyps 1 für eine Verkehrslastklasse T2 infolge beschleunigter Verkehrslastsimulation mit der mobilen Grossversuchsanlage MLS10 erwartet. In diesem Sinne ist die Untersuchung von Nutzen einerseits für die Teil-Beurteilung der heutigen Oberbautechnologie anderseits aber auch für andere Forschungsvorhaben, welche eine Validierung ihrer Resultate mit Untersuchungen am T2 Oberbautyp 1 beabsichtigen. Die Ergebnisse sind somit nützlich als Referenz für künftige ähnliche Testfelder.

Hauptnutzniesser dieses Projekts sind aber letztlich all jene Kreise, die einen Vorteil von dauerhafteren, leistungsfähigeren und umweltfreundlicheren Strassen sowie einem hohen Stand der Qualität und Normierung haben, d.h. Betreiber, Benutzer und Anwohner, sowie jene, die neue Strassenbeläge entwickeln und einbauen.  Somit sind die Nutzniesser:

·            Bund (ASTRA)

·            Kantone

·            Gemeinden

·            Industrie (Bauunternehmungen, private Labors)

Interessenten im nahen Ausland (z.B. TU Wien, BAST)

Methods (German)

Die Belastung mit der MLS10 erfolgt unmittelbar nach dem Einbau mit 6000 unidirektionalen Überrollungen pro Stunde und einer 6.5t Radlast und normalem Reifendruck, mittels Super Single Reifen 495/45 R22.5 ohne Quer-Pendelung. Über Nacht und über Wochenende und Feiertage wird dem Belag eine Erholungsphase zugestanden. Für diese Torture-Tests wird mit maximal 1.5 mio Überrollungen gerechnet.

Vor dem Einbau werden folgende Messungen durchgeführt

·         ME-Wert Bestimmung

·         Standard-Mischgutuntersuchung und Materialcharakterisierung (Rückstellmuster Mischgut)

·         Wasserempfindlichkeit

Auf der Versuchsstrecke werden folgende Messungen durchgeführt.

Kontinuierlich:

·         Temperaturmessung

·         Dehnungsmessung längs und quer an der Belagsoberfläche und zwischen den Schichten Messung der Vertikalbeschleunigung

Periodisch (unbelastet und je nach Versuchsfortschritt)

·         ETH-Delta Messung (ca 4-mal)

·         Messung des Querprofiles an drei Stellen (täglich)

·         FWD Messung (ca 3 Mal)

·         PSPA Messung (täglich)

·         GPR Messung (ca 3-mal)

·         Querprofil Messung (täglich)

·         Visuelle Inspektion der Risse und Oberflächenschäden (allenfalls Rauigkeit mit Sandflächenverfahren (täglich)

 

Laboruntersuchungen vor Belastung und nach Abschluss im Überrollbereich:

·         Bestimmung des Schichtenverbundes

·         Bestimmung des Spaltzugmoduls beider Schichten (Master Kurve)

·         Bestimmung des Biege E-Modul

·         ME-Wert (falls möglich)

 

Für die numerische Modellierung wird Abaqus verwendet, wie dies schon in Arraigada (2010) und Pugliessi (2010) durchgeführt wurde.

Special tools and infrastructure (German)

MLS10

ETH-Delta, zur Ermittlung der statischen und dynamischen Deflektion

PSPA Portable Seismic Pavement Analyzer, zur Ermittlung des seismischen dynamischen Moduls

FWD Falling Weight Deflectometer, zur Ermittlung der dynamischen Tragfähigkeit im System

GPR Ground Penetrating Radar, zur Ermittlung struktureller Mängel (z.B. Schichtentrennung)

Diverse Dehnungs- und Beschleunigungssensoren

Automatisches Profilometer, zur Erfassung der Spurbildung

Overview of research activities (German)

Beschleunigte Verkehrslastsimulationen unter möglichst realen Bedingungen im Massstab 1:1 sind heutzutage ein allgemein anerkanntes effizientes Hilfsmittel für angewandte Forschung und Entwicklung im Bereich Strassenbaustoffe und Belagsaufbauten (vgl. 3rd Int. Conf. Accel. Pav. Testing, APT´08, Madrid, www.cedex.es/apt2008; TRR 1974 (2006), NCHRP 325 (2004), NCHRP 512 (2003)).  Mobile Simulatoren erlauben es, sowohl Forschungsergebnisse reproduzierbar in praxisbezogener Weise zu validieren aber auch reale Beläge hinsichtlich Einbauqualität und Resttragfähigkeit zu beurteilen (Hugo et al., 2008).  Dies wirkt sich letztlich günstig auf Bau- und Unterhaltskosten und damit auf positiv Gebrauchstauglichkeit und Nachhaltigkeit von Strassenbelägen aus. Ein reger Erfahrungsaustausch findet im TRB Technical Committee AFD40 Full-Scale and Accelerated Pavement Testing Committee (Chair B. Choubane, Florida DOT), statt, wo die Empa seit 2010 vertreten ist.

Die Variationsbreite der Verkehrslastsimulatoren in aller Welt ist relativ gross und entsprechend unterschiedlich sind auch die Aussagen im gegenseitigen Vergleich (NCHRP 325 (2004), NCHRP 512 (2003)). Beispielsweise zeichneten sich der rückgebaute ETH Rundlauf (z.B. Scazziga et al., 1994)  durch hohe Scherkräfte im schnellen Kreisverkehr und die abgerissene Halle Fosse (z.B. Perret et al.)  durch relativ langsames Hin- und Herrollen in einer temperierten Halle aus. Demgegenüber ermöglicht die mobile MLS10 in realistischer Weise die Simulation einer unidirektionalen dynamischen Verkehrsbelastung auf Praxisbelägen und benötigt daher, ihren eigenen Erfahrungshintergrund.

In verschiedene Untersuchungen auf der Zürcher Oberlandautobahne A53 bei Hinwil, Belagsfelder der Zürcher Westumfahrung A20, Rastplatz der A1 bei Suhr und neue Staffeleggstrasse wurde nachgewiesen, dass sich die MLS10 gut für die Untersuchung von Praxisbelägen eignet (Arraigada, 2010; Karcher et al., 2010; Pugliessi et al., 2010; Partl et al., 2010). Positiv zu werten ist auch, das im Rahmen von Partikelgrössen Untersuchungen gefundene Resultat, dass die MLS10 trotz der passiv angetriebenen Lasträder zu Partikelabriebs-Messungen herangezogen werden kann, insbesondere auch zu Unterscheidung von Strassenabrieb und Staubaufwirbelung (Gehrig et al 2010). Die bisherigen positiven Resultate mit der MLS10 dürfen nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Betrieb relativ aufwändig ist und die notwendige Anzahl Lastzyklen und der Zeitaufwand für die Schädigung Schweizer Autobahnbeläge in den bisherigen Versuchen etwas unterschätzt wurde. Dies ist denn auch mit ein Grund, warum in diesem Projekt ein T2 Belag untersucht werden soll.

Project aims (German)

max. 100 Wörter

Ziel ist die Ermittlung der mechanischen Versagensgrenze eines für die Verkehrslastklasse T2 praxiskonform auf einem Versuchsfeld neu eingebauten Norm-Belages infolge beschleunigter Verkehrslastsimulation mit der mobilen Grossversuchsanlage MLS10.

Durch geeignete begleitende Zustandsmessungen am Objekt und theoretische Berechnungen soll die Veränderung der mechanischen Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer vom Neubau bis zum vollständigen Tragfähigkeitsverlust unter natürlicher Witterung erfasst werden. Dadurch soll eine Ausgangsbasis und vergleichende Grundlage für entsprechende Untersuchungen der Versagensgrenze von innovativen neuen Belägen mit der MLS10 im Hinblick auf anderer Forschungsprojekte erarbeitet und exemplarisch eine konkrete Teil-Bewertung der heutigen Oberbautechnologie für die Verkehrslastklasse T2 vorgenommen werden.

Project aims (English)

Goal is the determination of the mechanical endurance limit of a standard pavement for traffic load class T2 through accelerated traffic simulation with the full-scale mobile load simulator MLS10. This pavement will be been newly constructed on a test field in a practice conform way.

Suitable simultaneous monitoring of state of the road and theoretical calculations shall be used to determine the change of mechanical properties under natural climatic conditions over the whole life time from new construction to complete loss of bearing capacity. This research shall provide a starting point and comparative basis for similar investigations with MLS10 regarding the endurance limit of innovative new pavements. It shall also provide an example for a specific partial assessment of the pavement technology for traffic load class T2.

Research agenda (German)

Für die Durchführung diese Torture Tests an einem T2 Belag mit maximal 1.5 mio Überrollungen wird einschliesslich Berichterstattung ein Jahr veranschlagt. Grundvoraussetzung für die Durchführung ist, dass ein rascher Einbau des Versuchsfeldes in Wimmis noch im Frühling 2011 erfolgen kann. Das Arbeitsprogramm besteht somit im Wesentlichen aus folgenden Hauptelementen:

1. Konkretisierte Planung des Versuchsfeldes und Sicherstellung der Logistik und Baustoffe
2. Bau Sensoren: Dehnungssensoren, Beschleunigungssensoren
3. Bau des Versuchsfeldes inklusive Einbau der Sensoren: Kabel, Datenlogger, Kalibrierungen
4. Transport der MLS10, Installation des Messplatzes; Einrichtung der MLS10 und Funktions-Tests
5. Probenentnahmen & erste Mat. Untersuchung im Labor: Mischgutuntersuchung, Bohrkernentnahme, Steifigkeit, Schichtenverbund
6. Durchführen der Messkampagne unbefahren und in periodischem Abstand befahren bis zu max 1.5 mio Achslastübergänge (periodische Messung mit FWD, PSPA, Profilometer, ETH-Delta, GPR je nach Verlauf der Tests)
7. Rücktransport der MLS10 und Abbruch des Versuchsfeldes
8. Auswertung: Datenanalyse, numerische Berechnungen, Ermittlung der Versagensgrenze und exemplarische Teil-Bewertung der heutigen Oberbautechnologie für die Verkehrslastklasse T2
9. Bericht

 

 

Daraus ergeben sich zwei Meilensteine: siehe Tabelle unten

Meilenstein 1: Messkampagne und Labortests durchgeführt (1…11)

Meilenstein 2: Berichterstattung

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• Meilensteine.pdf [PDF] 49 kB

Transfer and application (German)

Die gewonnenen Erkenntnisse dieser T2 Untersuchung am Oberbautyp 1 dienen als Ausgangsbasis und vergleichende Grundlage für entsprechende Untersuchungen der Versagensgrenze von innovativen neuen Belägen oder von optimierten Belägen mit der MLS10 im Hinblick auf andere Forschungsprojekte. Die Erkenntnisse werden in verschiedenen späteren Forschungsprojekten, mit denen eine MLS10 Validierung vorgenommen wird, als Bewertungshintergrund einfliessen. Sie  lassen sich zudem für die Überarbeitung der Dimensionierungsnorm verwenden.

Berichtsnummer (German)

1462

Literature (German)

Fritz,H.W. et al. (1992): Untersuchung stark beanspruchter bituminöser Autobahnbeläge. UVEK/ASTRA Report Nr.256

Junker, J. P. (2008): Unterhalt 2000 - Maßnahme M 17, Forschung: Dauerhafte Materialien und Verfahren : Synthese-Bericht zum Gesamtprojekt "Dauerhafte Beläge" ; UVEK/ASTRA Report Nr.1273

Partl,M.N. et al.(1996): Performance-related Testing of Heavy Loaded Swiss Asphalt Concrete Surface Courses. 76th Annual Meeting AAPT,Baltimore, Vol65 of AAPT Journal,

Perret, J. et al. (2001): Evaluation des performances de nouveaux matériaux de revêtement:1ère partie: Enrobés à haut module, UVEK/ASTRA Report Nr. 1001

Scazziga I., et al.(1994): Vergleich von Oberbauvarianten für Kantons- und Gemeindestrassen (Rundlaufversuch Nr. 3), Schlussbericht zu Forschungsauftrag 35/80 und 17/85, UVEK/ASTRA Report Nr. 316

Karcher, C. et al. (2010): Untersuchung der Veränderung der strukturellen Substanz von Asphaltkonstruktionen. Strasse und Autobahn, 61, 9

Gehrig, R. et al., (2010): Mobile Load Simulators – a tool to distinguish between the emissions due to abrasion and resuspension of PM10 from road surfaces. Atmospheric Environment, Vol 44 No 38,

Partl, M.N. et al. (2010): Der neue Model Load Simulator MLS10. Deutscher Strassen- und Verkehrskongress, Vortrag und Manuskript (Publikation in S&V geplant Feb 2011)

Arraigada, M., U. (2010): Estudio del uso de acelerómetros en la determinación de la deflexión de pavimentos bajo las cargas del transito. Su aplicación al analisis estructural de pavimentos flexibles. Tesis Doctoral Univ Rosario

Pugliessi. A. et al. (2010): Utilización de simuladores móviles de carga MMLS3 y MLS10 para el studio de Pavimentos, Proceedings of 36^th CAP Conference, Buenes Aires, 30 Nov-3 Dec

Rabaiotti,C. et al. (2008): APT device evaluation for road research in Switzerland: test campaign on a Swiss Highway with the MLS10, Proceedings of 3^rd Int. Conf. on Accelerated Pavement Testing, APT08, Madrid

Hugo, F. et al (2008).: Innovative Applications of the MLS10 for Developing Pavement Design Systems. Proceedings of 3^rd International Conference on Accelerated Pavement Testing, APT 2008, Madrid

Several Authors (2006): "Pavement Management; Monitoring, Evaluation, and Data Storage; and Accelerated Testing", Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 1974

Several Authors (2004): NCHRP Synthesis 325 "Significant Findings from Accelerated Pavement Testing", Transportation Research Board, Washington 2004

Several Authors (2003): NCHRP Report 512 "Accelerated Pavement Testing Data Guidelines", Transportation research Board, Washington