Asphalt Aging and Fatigue

Ron Glaser Mike FarrarShin-Che HuanggJohn SchabronFred Turner

Program Review

January 27, 2011

Aging Studies  

• SUBTASK 2‐2.1  IMPACT OF WATER ON AGING

• SUBTASK 2‐2.2  SUPPORT OF THE MECHANISTIC‐EMPIRICAL PAVEMENT DESIGN GUIDE Aging StudyPAVEMENT DESIGN GUIDE‐ Aging Study 

• SUBTASK 2‐2.3  AUTOMATED ON‐COLUMN PRECIPITATION AND RE‐DISSOLUTION ANALYSIS

• SUBTASK 3‐2D  LABORATORY AND FIELD AGING INFLUENCE ON EMBRITTLEMENT

Problem

• How does aging affect asphalt pavement durability?

• What changes in chemical composition with aging cause reductions in endurance performance?reductions in endurance performance?

• Can we adjust binder composition or pavement section design to increase service life ?

• What maintenance procedures make sense to extend service life ?

What happens when asphalt ages (oxidizes)(oxidizes)

• Asphalt ages through oxidation, changing the chemical composition

• Changes in the chemical composition change the mechanical propertiesmechanical properties

• Aged Pavements are more brittle and relieve stress much more slowly than new pavements

• Aged Pavements heal more slowly accumulate damage• Aged Pavements  heal more slowly, accumulate damage more quickly

• The service life of the pavement is greatly affected by aging

Design for Aging  

Aging Study  

Aging Study Characterization

• FTIR‐Multi‐solvent – to obtain rate expressions

• CHNS‐DO – to investigate rates based upon oxygen uptake 

DSR t bt i h l i l ti• DSR – to obtain rheological properties

• DSC – to evaluate changes in glass transition width

• LAST – to quantify fatigue resistance• LAST – to quantify fatigue resistance

• AD – speciation of asphaltenes

• SARA + IR – solvent defined fraction changes, reactants and g ,products fates

• AFT – solvation shell dimension and compatibility

• NMR – aromatization changes

Aging Study Materials

• ALF 70‐22 RTFO binder

• ManitobaManitoba• Tank, RTFO in support of warm mix studies

• Minnesota • A,B,C RTFO binder

• SHRP  RTFO binders (4)

• 2 ARC RTFO binders• 2 ARC RTFO binders

Progress to date 

• Aging – first set of samples recently completed

• Elemental Analysis – selected ALF samples 

• FTIR – over 50% complete

AD T k 3D li i k l t ALF l• AD – Task 3D preliminary work complete on ALF samples

• SARA + IR – just started

• DSC – selected ALF samples• DSC  selected ALF samples 

• AFT – not started

• NMR – not started

• DSR – not started

• LAST – not started

Preliminary Results and Observations 

Good correlations exist between the following metrics d f iand extent of aging:

• Sulfoxide plus carbonyl IR absorbance

• Direct oxygen from elemental Analysisyg y

• Toluene/heptane peak ratio from AD

• Glass transition width from DSC

Design for Aging  

Design for Aging  

• Parallel first and zero order rate expressions fit the data welldata well. 

• Film diffusion model is more fundamental• Film modeling fits suggests mass transfer inside 

the binder is rate limiting

Design for Aging  

• Simple expressions produce activation energy values near viscous flow values 

• The film diffusion model  explicitly accounts for viscosity changes

• Differences in AAD and AAG reconciled with anDifferences in AAD and AAG reconciled  with an internal diffusion length adjustment

• Simpler testing of this physical parameter may d d di iproduce good rate predictions

• A practical, fundamentally based spec test for aging rate may be possible (AFT)g g y p ( )

Design for Aging  

Design for Aging  

Design for Aging  

Stress profiles due to property gradientsgradients

• Asphalt binders exhibit dramatic changes in elasticity with temperature

• Asphalt binders also exhibit dramatic changes in elasticity• Asphalt binders also exhibit dramatic changes in elasticity as they age

• Asphalt binders age more near the surface of the pavement

Property Gradients 

Property Gradients 

Static‐Elastic Modeling of Thermal Stresses Aging and Block CrackingStresses… Aging and Block Cracking

So What?  

Products (Asphalt Research Community)Community) ….

• Multivariate Regression of Over Defined Data‐Beta release in progress (VB.NET)

• Master Curve Shift Factor Parameter Fits with extent of• Master Curve‐Shift Factor Parameter Fits with extent of aging

• Multi‐solvent method for high resolution IR studies

• Advanced Spectral Subtraction methods

• Peak series decomposition program  

Products (Asphalt Paving Community)Community) ….

• Correlation of IR response to rheology

• Micro‐sampling of pavement for stiffness evaluation using IRIR

• Aging rate prediction spec test

• DSR replacement of BBR using 4mm platesDSR replacement of BBR using 4mm plates

• Improvements in the MEPDG, particularly the Global Aging System and TCModel to account for aging effects

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