Διερεύνηση της αντιολισθητικής ικανότητας των οδοστρωμάτων στο πλαίσιο της βιωσιμότητας των έργων οδικής υποδομής

Abstract

On a worldwide scale, many research efforts dealing with road safety issues are basically centered around features of road geometry and driving behavior aspects. However, those research efforts do not always capture in detail the contribution of pavement characteristics and in particular the pavement surface condition with respect to the level of the provided road safety, albeit the stability of a moving vehicle is directly related to the characteristics of the surface layer. The result of the tire-pavement interaction is determinant for the antiskidding properties of a road surface or else the provided skid resistance. Hence, it has been proven over the years that low skid resistance contributes to causing road accidents/incidents. Therefore, skid resistance is an issue with increased social impact and it is believed that its thorough investigation contributes to enhancing the overall road serviceability with a direct impact on the provided road safety too.Skid resistance is expressed by the coefficient of friction developed on the tire-pavement contact surface when a vehicle starts braking. In addition to the characteristics of the asphalt mixture of the antiskidding layer and the quality of the vehicle tires, skid resistance is directly affected by the weather conditions that pavement is exposed to. As such, skid resistance investigation is a multiparametric issue, as it changes over time, both on a yearly basis, i.e., from year to year (annual changes) and within a year (seasonal changes / variations).The need to maintain safe pavements requires continuous monitoring and performance evaluation of their surface condition, something that is in line with sustainability prerequisites of roadway infrastructure. Apart from the social component of road safety, sustainability aspects of Long-Life Pavements (LLPs) also include environmental issues regarding the selection of suitable, environmentally friendly materials, with the parallel goal of limiting the need for virgin materials. In the last decades, there have been intense research interests regarding the integration of recycled or non-conventional materials within pavement construction and reconstruction. However, the majority of the related researches focuses mainly on the structural performance of pavements. On the contrary, research efforts related to the provided skid resistance of the surface layer, in which recycled materials are integrated, are limited.In the light of the above, the present doctoral thesis focuses on the investigation of skid resistance of asphalt pavements including a variety of asphalt mixtures. The aim is to develop a framework for performance evaluation of both conventional and recycled or non-conventional materials to be potentially used in the construction of antiskidding surfaces, as well as the evaluation of factors affecting the in-situ skid resistance performance on a long-term basis. Regarding the methodological process that is followed, a laboratory investigation of skid resistance (laboratory scale) is carried out first considering slabs with asphalt mixtures prepared with conventional Hot Mix Asphalt Concrete (HMA) and / or the recycled materials: Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) or recycled rubber in form of Reacted Activated Rubber (RAR). The laboratory investigation focuses on simulating (a) the seasonal variations effect and (b) the traffic polishing effect. The latter refers to controlled polishing cycles applied on the testing slabs using the Wehner-Schulze machine (W/S), that took place at the French Institute of Science and Technology for Transport, Development and Networks (IFSTTAR) of the Gustave Eiffel University. The second pillar of the investigation refers to the in-situ evaluation of skid resistance performance (field conditions, scale 1:1). Long-Term Pavement Performance (LTPP) friction data stored in the database of the NTUA Laboratory of Pavement Engineering (LPE) is utilized for the research purposes. Several factors prevailing in a real road environment, such as geometric characteristics of the road, traffic volume and composition, pavement surface condition (dry or wet) are considered for the case of the materials used on Greek highways. Finally, further investigation is performed considering both the laboratory performance and the field performance of the conventional materials through a coupling process of the relevant results with pilot shift factors.Regarding the main results of the research, both conventional and non-conventional asphalt mixtures (with recycled materials) presented a very good performance based on the laboratory testing in terms of the effect of seasonal changes and the simulated traffic polishing. Regarding the field conditions, the effect of seasonal variations was quantified after a relative analysis, while two distinct zones were identified considering the combined long-term evolution of skid resistance and macrotexture in relation to the microtexture performance. Finally, encouraging results were obtained regarding the coupling process of the laboratory performance for the conventional materials with that observed in the field.The outcome of the present research is a methodological framework for the evaluation of the skid resistance performance of both conventional and non-conventional asphalt mixtures (containing recycled materials) in the laboratory before their potential use in the field and the joint evaluation of skid resistance and its components (microtexture and macrotexture) on a long-term basis regarding field conditions. In this sense, it is deemed that the undertaken evaluation may act as a precursor regarding the materials’ performance in the field and the determination of a suitable type of road, where the integration of non-conventional materials will be a potentially sustainable option aiming to reduce the use of natural resources. Regarding the findings concerning the field long-term performance, it is believed that they could be particularly useful for a pavement management system during the decision-making processes, with a view to maintaining or improving the provided level of skid resistance, while enhancing simultaneously pavement longevity and sustainability.Overall, it is considered that the contribution of the present research may simultaneously meet societal needs in terms of road safety, serve sustainability challenges in pavement engineering (reuse/recycling of materials) and might also provide useful input in the context of a Life Cycle Cost Analysis (LCCA).

Σύμφωνα με το διεθνές γίγνεσθαι, πολλές έρευνες που αφορούν στην οδική ασφάλεια επικεντρώνονται κυρίως στα χαρακτηριστικά του γεωμετρικού σχεδιασμού των οδών και στη μελέτη συμπεριφοράς των οδηγών, χωρίς να αποτυπώνεται αναλυτικά η συμβολή των χαρακτηριστικών του οδοστρώματος και συγκεκριμένα της επιφάνειάς του. Παρά ταύτα, η αλληλεπίδραση των οχημάτων με το οδόστρωμα, μέσω της επιφάνειας επαφής ελαστικών-οδοστρώματος, συμβάλλει καθοριστικά στην αποτελεσματική κύλιση και κυρίως πέδηση των οχημάτων. Ως εκ τούτου, η ανάγκη διατήρησης της οδικής ασφάλειας σε βάθος χρόνου λειτουργίας ενός οδοστρώματος προϋποθέτει τη συνεχή παρακολούθηση και αξιολόγηση της συμπεριφοράς του ως προς την παρεχόμενη αντιολισθητική ικανότητα, στοιχείο που συνάδει επίσης με την ενίσχυση της βιωσιμότητας των οδικών υποδομών. Ταυτόχρονα, οι μηχανικοί οδοστρωμάτων και οι φορείς διαχείρισης των οδικών υποδομών έρχονται συνεχώς αντιμέτωποι με νέες προκλήσεις σε επίπεδο επιλογής εναλλακτικών υλικών, τόσο για κατασκευή νέων οδοστρωμάτων, αλλά κυρίως για ανακατασκευή του υφιστάμενου οδικού δικτύου με σκοπό τη μείωση της εκμετάλλευσης φυσικών πόρων. Υπό το πρίσμα αυτό, στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής διεξάγεται έρευνα που επικεντρώνεται στη διερεύνηση της αντιολισθητικής ικανότητας των ασφαλτικών οδοστρωμάτων αποσκοπώντας στη δημιουργία ενός πλαισίου για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς, αφενός των υλικών που προορίζονται για την κατασκευή αντιολισθηρών στρώσεων και αφετέρου, των επιμέρους χαρακτηριστικών που επηρεάζουν την αντιολισθητική ικανότητα μακροπρόθεσμα στο πεδίο, με στόχο την ενίσχυση της βιωσιμότητας των οδοστρωμάτων και της οδικής ασφάλειας. Η διερεύνηση που πραγματοποιείται συντίθεται από δύο βασικούς πυλώνες και συγκεκριμένα, την εργαστηριακή διερεύνηση επί συμβατικών ασφαλτομιγμάτων (Hot Mix Asphalt, HMA) και μη συμβατικών, βιώσιμων ασφαλτομιγμάτων (με προσθήκη ανακτώμενου – επαναχρησιμοποιούμενου ασφαλτομίγματος ή με προσθήκη τριμμάτων από ανακυκλωμένο ελαστικό) και τη διερεύνηση σε συνθήκες πεδίου λαμβάνοντας υπόψη στοιχεία πολυετών μετρήσεων αντιολισθητικής ικανότητας και μακροϋφής. Συνολικά, πιστεύεται ότι τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον και δημιουργούν ισχυρές προϋποθέσεις αξιοποίησής τους σε θέματα που αφορούν (α) σε μίγματα αντιολισθηρών στρώσεων στο πλαίσιο κατασκευής και ανακατασκευής οδοστρωμάτων, αξιοποιώντας ενδεχομένως εναλλακτικά υλικά και αποσκοπώντας στη μείωση της χρήσης φυσικών πόρων και (β) σε συνθήκες βελτιστοποίησης της παρακολούθησης της συμπεριφοράς οδοστρωμάτων και της διαχείρισής τους αποσκοπώντας στην ενίσχυση της βιωσιμότητάς τους και της παρεχόμενης οδικής ασφάλειας.