Experimental and Numerical Investigation of Nonlinear Behavior of Recycled Concrete Aggregates used in Flexible Pavement Courses under Heavy Traffic Load

Esnek Yol Kaplama Tabakalarında Kullanılan Geri Dönüştürülmüş Beton Agregalarının Ağır Trafik Yükleri Altında Doğrusal Olmayan Davranışının Deneysel ve Sayısal İncelenmesi

Abstract

The use of recycled concrete aggregates (RCA) obtained from construction demolition wastes in road embankments reduces the demand for natural aggregate, improves the long-term performance of conventional flexible road pavements with economical and environmentally friendly designs. In this study, the effects of using 100 % RCA in the base and subbase courses on the mechanical behavior of the flexible pavement was investigated. For this purpose, firstly a laboratory study characterizing the properties of RCA was carried out and after that a 3- dimensional nonlinear numerical analysis evaluating the long-term performance of RCA under heavy traffic loads have been done by considering the effect of asphalt coating thickness. In the laboratory study, the stiffness properties of the samples were obtained by applying the resilient modulus and permanent deformation tests together with the determination of the classical geotechnical properties. The results obtained by using three different models in which the resilient modulus was estimated were compared and the most suitable model was used in numerical analysis. The accumulated plastic deformation (rutting) of the conventional flexible pavement courses under heavy wheel loads were determined with numerical analysis based on finite difference method. From the results of the experiment, it was determined that RCA has higher resilient modulus and lower plastic deformation values compared to natural aggregates. The numerical analysis results show that the mechanical performance and rutting values of the base and subbase courses built with using 100% RCA meet the requirements specified in the relevant specifications, and that the displacements under the relatively thin hot mixture asphalt layer increased towards the center due to the rotation of the principal stresses during tandem loading and the low shear stresses at the edges, and that the accumulated permanent deformations decreased by about 50% with this layer thickness increased and the displacements under multiple wheel loads converged. It has been determined that GDBA is suitable for use as filling material in the base and subbase courses.

Özet

İnşaat yıkım atıklarından elde edilen geri dönüştürülmüş beton agregalarının (GDBA) yol dolgularında kullanımı,doğal agrega talebini azaltmakta, ekonomik ve çevre dostu tasarımlarla geleneksel esnek yol kaplamanın uzundönem performansını iyileştirmektedir. Bu çalışmada, temel ve alt temel tabakalarında %100 GDBA kullanımınınesnek yol kaplama tabakalarının mekanik davranışına etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla önce GDBA'nınözelliklerinin belirlendiği bir laboratuvar çalışması yürütülmüş sonrasında ağır trafik yükleri altında bitümlü sıcakkarışım tabaka kalınlığının da etkisi dikkate alınarak GDBA'nın uzun dönem performansını değerlendiren 3boyutlu doğrusal olmayan sayısal analizler yapılmıştır. Laboratuvar çalışması kapsamında, hazırlanan temel ve alttemel numunelerinin geoteknik özellikleri ile birlikte, esneklik modülü ve kalıcı deformasyon deneyleriuygulanarak esneklik özellikleri belirlenmiştir. Esneklik modülünün tahmin edildiği üç farklı model kullanılarakelde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve en uygun model sayısal analizlerde kullanılmıştır. Sonlu farklar yönteminedayanan sayısal analizlerle, geleneksel esnek yol kaplama tabakalarının ağır trafik yükleri altında birikmiş plastikdeformasyonları (tekerlek izi) belirlenmiştir. Deney sonuçlarından, GDBA'nın doğal agregalara kıyasla dahayüksek esneklik modülü ve daha düşük plastik deformasyon değerlerine sahip olduğu belirlenmiştir. Sayısal analizsonuçları ise %100 GDBA kullanılarak inşa edilen temel ve alt temel tabakalarının mekanik performansının vetekerlek izi değerlerinin ilgili şartnamelerde belirtilen gereksinimleri karşıladığını göstermektedir. Görece dahaince seçilen bitümlü sıcak karışım tabakası altında, tandem yükleme sırasında asal gerilmelerin dönmesi vekenarlardaki düşük kayma gerilmeleri nedeniyle deplasmanların yol merkezine doğru arttığı, bu tabaka kalınlığınınartmasıyla kalıcı deformasyonların yaklaşık %50 azaldığı ve çoklu tekerlekler altındaki deplasmanların birbirineyaklaştığı belirlenmiştir. Deneysel ve sayısal inceleme sonucunda, GDBA'nın temel ve alt temel tabakalarındadolgu malzemesi olarak kullanımının uygun olduğu anlaşılmaktadır.