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B. Hofko:
"Towards an enhanced Characterization of the Behavior of Hot Mix Asphalt under Cyclic Dynamic Compressive Loading";
Supervisor, Reviewer: R. Blab, M. Partl; Institut für Verkehrswissenschaften, 2011; oral examination: 2011-11-30.

This doctoral thesis is aimed towards an advanced characterization of the material behavior of hot mix asphalt (HMA) under cyclic dynamic compressive loading. The triaxial cyclic com-pression test (TCCT), which today is mainly employed according to (EN 12697-25, 2005) for the assessment of the resistance to permanent deformation, is thoroughly reviewed. Four main objectives were developed to enhance the output of this test type.
The first part of the thesis introduces an alternative assessment method for the characterization of the resistance to permanent deformation for standard TCCTs carried out according to (EN 12697-25, 2005). Presently, the creep curve is approximated by a linear function within its quasi-linear part. The slope of the linear, the linear creep rate fc, is the benchmark parameter. However, the standard does not define the starting point and range of the quasi-linear part of the creep curve. To overcome this shortcoming, it is shown that during the TCCT each specimen reaches a state of constant viscoelastic parameters after a certain number of load cycles. An unambiguous definition for this point in the test is given. Within this state of con-stant viscoelastic parameters, the creep curve is linear in the log/lin scale and can thus be ap-proximated by a logarithmic function with high fit quality. An excellent correlation was found between the linear creep rate fc and the logarithmic creep rate b. Furthermore, a significant benefit can be achieved when not only the axial but also the radial deformation of the speci-men is recorded in the TCCT: In this case not only the total axial strain εax,tot can be derived, but also its volumetric εax,vol and deviatoric part εax,dev can be analyzed. Both components re-flect different rutting mechanisms in the field and thus may be used for an advanced charac-terization of the permanent deformation behavior of HMA giving valuable information for mix design optimization.
A second research question is how HMA reacts to cyclic compression tests (CCT) in terms of viscoelasticity. To study not only the reaction in axial direction but also perpendicular to the vertical axis in radial direction, strain gauges are attached directly on the HMA specimens around their circumference to ensure high-quality readings. A comprehensive test program is run at mixes with paving grade and polymer-modified bitumen with temperature and frequen-cy sweep. It is analyzed whether the test setup (i.e. whether specimens are glued to the load plates or not) impacts the measured viscoelastic material reaction. While the material viscosity in terms of phase lags is not affected by the setup, the dynamic modulus is at a lower level ( 10% to 20%) when unglued specimens are used, as it is the case for CCTs. The impact of time, temperature, binder content and air void content on the viscoelastic material behavior is described. In all CCTs carried out for this study the phase lag between axial loading and axial deformation is smaller than the phase lag between axial loading and radial deformation. It is found after a comprehensive investigation that this difference is material-inherent. As a direct result, the dynamic Poisson´s Ratio and its elastic and viscous component are introduced, as well as the dynamic shear modulus and its components. From the results of the test program mentioned above it can be stated that the presently used values for the Poisson´s ratio of HMA of 0.30 to 0.35 are only valid for intermediate temperatures and low frequencies or ele-vated temperatures and high frequencies. The dynamic Poisson´s Ratio is affected significant-ly by test temperature and frequency, as well as by mix design parameters like the binder con-tent and the void content. The dynamic shear modulus |G*| exhibits a higher temperature and frequency sensitivity than the dynamic modulus |E*|. |G*| decreases more strongly with in-creasing temperature and increases more strongly with increasing frequency than |E*|.
On the basis of these findings an analytical model is developed, which predicts the viscoelas-tic material behavior of HMA from viscoelastic binder characteristics and volumetric charac-teristics of the mix. The B(inder)-A(sphalt mix) Model consists of nine parameters, three of them are dependent on the binder type, the other six parameters are linked to the volumetric characteristics of the mix. The model describes the macroscopic, viscoelastic material pa-rameters of the mix under compression, from dynamic modulus, phase lags and dynamic shear modulus to dynamic Poisson´s Ratio. The model parameters may not have a direct physical relation but the B-A Model has the vast advantage to predict the HMA behavior over a large range of frequencies/temperatures. Furthermore a conclusive link between the viscoelastic behavior of HMA and the permanent deformation behavior (linear and logarithmic creep rate) is established. In connection with the B-A Model this represents an additional powerful tool to predict rutting resistance of mixes.
A further objective of the thesis is to simulate the state of stress within a pavement structure under traffic by the TCCT in a more realistic way. In the standard TCCT the confining pres-sure is held constant, which does not reflect the situation in a pavement where a cyclic confin-ing pressure is assumed from dynamic wheel loads. Thus, an enhanced TCCT is introduced with cyclic confining pressure, which also takes into account the viscoelastic material reaction to loading by considering the radial phase lag for the confining pressure. Results from stand-ard and enhanced TCCTs are compared and it can be stated that a permanent deformation benefit can be activated, when the material is tested by taking into account its viscoelastic properties. From the results it is assumed that this benefit is mainly caused by a reduced devi-atoric strain component. Mixes perform significantly better in terms of long-term behavior. The creep rates decrease by 1/6 up to 1/2 when the standard TCCT results are compared to results from enhanced TCCTs. The results can account for a more specific mix design optimi-zation of HMAs taking into consideration the application of an HMA and the boundary conditions in terms of traffic and climate.
Summarizing the findings it can be concluded that cyclic compression tests have an excellent potential not only for the characterization of the resistance to permanent deformation but also to deal with the viscoelastic material behavior of HMA under compressive loading. Since relevant material reaction does not only occur in axial but also in radial direction, the material behavior can be described in an advanced way.

Ziel dieser Dissertation ist eine umfassende Beschreibung des Materialverhaltens von Asphalt unter zyklisch-dynamischer Druckschwellbelastung. Zu diesem Zweck wird der triaxiale Druckschwellversuch (TCCT), der zur Zeit hauptsächlich für die Ermittlung des Verfor-mungswiderstandes bei hohen Temperaturen nach (EN 12697-25, 2005) eingesetzt wird, auf verschiedene Anwendungsmöglichkeiten hin untersucht. Daraus ergeben sich vier wesentliche Fragestellungen.
Im ersten Teil der Arbeit wird eine alternative Bewertungsmethode für Standard-TCCT nach (EN 12697-25, 2005) entwickelt. Bisher wird die Kriechkurve durch eine lineare Funktion im quasi-linearen Bereich dieser Kurve angenähert. Die Steigung der Linearen, die lineare Kriechrate fc, wird als Beurteilungskriterium für die Beständigkeit gegen bleibende Verfor-mungen herangezogen. Allerdings wird der quasi-lineare Teil der Kriechkurve in der Europäi-schen Prüfnorm nicht näher definiert. Dies führt dazu, dass die ermittelte Kriechrate von der Festlegung des Beginns und des Bereichs des quasi-linearen Kriechens abhängig ist. Bei der Auswertung einer Vielzahl an Standard-TCCTs wurde erkannt, dass die viskoelastische Mate-rialreaktion nach einer bestimmten Anzahl an Lastwechseln konstant bleibt. Ein neues Ver-fahren wird vorgestellt, mit dem dieser Zeitpunkt ermittelt werden kann. Nach dieser Ein-schwingphase stellt die Kriechkurve in der log/lin Darstellung eine Gerade dar, sie kann also durch eine logarithmische Funktion beschrieben werden. Zwischen der linearen Kriechrate fc und der logarithmischen Kriechrate b besteht eine ausgezeichnete Korrelation. Weiters wird gezeigt, dass Prüfergebnisse deutlich genauer in Hinblick auf das Verformungsverhalten be-wertet werden können, wenn nicht nur die axiale, sondern auch die radiale Verformung wäh-rend des Versuchs aufgezeichnet wird. Dadurch kann nicht nur die gesamte Axialdehnung εax,tot, sondern auch deren volumetrischer εax,vol und deviatorischer Anteil εax,dev ermittelt wer-den. Beide Komponenten stehen für die unterschiedlichen Ursachen von Spurrinnenbildung in der Praxis. Die gewonnen Daten müssen also für eine zukünftige Optimierung der Mischgut-zusammensetzung abgestimmt auf den Einsatz des Mischguts herangezogen werden.
Eine zweite Fragestellung betrifft das viskoelastische Materialverhalten von Asphalt in zykli-schen Druckschwellversuchen (CCT). Da nicht nur die Reaktion in axialer Richtung, sondern auch in der radialen Ebene untersucht werden soll, werden zunächst Dehnungsmessstreifen als adäquates System zur Messung der Umfangsdehnung eingeführt. Diese werden direkt auf die Probekörper rund um die Mantelfläche am Umfang appliziert. Ein umfangreiches Prüf-programm an Mischgut mit Oxidationsbitumen und polymermodifiziertem Bitumen mit Vari-ation der Prüftemperatur und -frequenz wird präsentiert. In einem ersten Schritt wird unter-sucht, ob die Materialreaktion davon abhängt, ob der Probekörper fest mit dem Laststempel verbunden ist oder nicht. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Materialphasenwinkel unabhängig von der Konfiguration sind. Probekörper, die nicht fest mit den Lastplatten ver-bunden sind, reagieren jedoch weicher, der dynamische Modul ist um 10% bis 20% niedriger. In einem weiteren Schritt werden Einflüsse von Temperatur, Frequenz, Bitumen- und Hohl-raumgehalt auf das viskoelastische Materialverhalten analysiert. Alle Prüfergebnisse zeigen, dass der axiale Phasenwinkel zwischen axialer Belastung und axialer Reaktion kleiner ist, als der radiale Phasenwinkel zwischen axialer Belastung und radialer Reaktion. Nach einer ein-gehenden Untersuchung auf mögliche Störquellen für dieses Phänomen wird schließlich die These aufgestellt, dass der Unterschied in den Phasenwinkeln materialinhärent ist. Direkt da-mit zusammenhängend wird die dynamische Querdehnzahl |ν*| mit ihrem elastischen und vis-kosen Anteil und der dynamische Schubmodul |G*| mit seinen Anteilen eingeführt. Es wird gezeigt, dass die derzeit häufig verwendeten Annahmen für die Querdehnzahl von Asphalt von 0.30 bis 0.35 nur dann zutreffen, wenn das Material im mittleren Temperaturbereich bei niedrigen Frequenzen oder bei hohen Temperaturen und hohen Frequenzen belastet wird. Die dynamische Querdehnzahl wird wesentlich von Temperatur, Frequenz und Mischgutzusam-mensetzung beeinflusst. Anders als der dynamische Modul |E*| weist der dynamische Schub-modul |G*| eine stärkere Temperatur- und Frequenzabhängigkeit auf, sinkt also stärker mit steigender Temperatur und steigt schneller mit steigender Frequenz an.
Auf der Basis der vorgenannten Ergebnisse wird im Weiteren ein analytisches Modell entwi-ckelt, dass das viskoelastische Materialverhalten von Asphalt aus dem viskoelastischen Ver-halten des verwendeten Bitumens und volumetrischen Kenngrößen des Mischguts vorherzu-sagen vermag. Das B(inder)-A(sphalt) Modell beinhaltet neun Parameter von denen drei von der Bitumenart und die anderen sechs von volumetrischen Kenngrößen des Mischguts abhän-gen. Das Modell beschreibt alle wichtigen viskoelastischen Kennwerte des Asphalts, vom dynamischen Modul und den Phasenwinkeln über den dynamischen Schermodul bis zur dy-namischen Querdehnzahl. Zwar zeigen die Modellparameter keinen direkten physikalischen Zusammenhang, aber das Modell hat den großen Vorteil, das Materialverhalten über eine große Spanne an Temperaturen und Frequenzen vorhersagen zu können. Zusätzlich wird ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem viskoelastischen Materialverhalten (|G*|) und dem Verformungsverhalten (lineare bzw. logarithmische Kriechrate) hergestellt, wodurch das B-A Modell auch den Widerstand gegen bleibende Verformungen zu beschreiben vermag.
Eine vierte Fragestellung betrifft die Simulation der Verkehrslastspannungen in einem Ober-bau durch TCCTs. Im Standard-TCCT wird der radiale Seitendruck konstant gehalten. Das entspricht jedoch nicht der Annahme, dass in einem Oberbau durch dynamische Radlasten auch viskos verzögerte, dynamische Radialspannungen auftreten. Daher wird ein modifizierter TCCT eingeführt, bei dem der Probekörper nicht nur axial, sondern auch radial zyklisch-dynamisch belastet wird. Dieser modifizierte TCCT berücksichtigt auch die viskoelastische Materialreaktion, in dem der radiale Phasenwinkel für die zyklisch-dynamische Seitendruck-steuerung berücksichtigt wird. Beim Vergleich von Standard- und modifizierten TCCTs wird sichtbar, dass sich der Verformungswiderstand von Asphalt deutlich erhöht, wenn die viskoelastische Materialreaktion berücksichtigt wird. The resultierenden Kriechraten verrin-gern sich um 1/6 bis 1/2, wenn der modifizierte TCCT eingesetzt wird. Die Ergebnisse können dazu beitragen die Mischgutoptimierung noch besser auf einen spezifischen Anwendungsfall unter Berücksichtigung von Randbedingungen wie Verkehr und Klima anzupassen.
Die Ergebnisse der Arbeit bestätigen insgesamt, dass zyklische Druckschwellversuche großes Potenzial haben, einerseits die Verformungsbeständigkeit von Asphaltmischgut detailliert zu beschreiben, andererseits jedoch auch das viskoelastische Materialverhalten im Druckbereich ausgezeichnet abzubilden. Durch Erfassung der Materialreaktion in axialer und radialer Rich-tung kann das Verhalten umfassend beschrieben werden.

Asphalt, Modellierung, Rheologie, Triaxialprüfung, Dehnungsmessstreifen