sponsored by · [email protected] rodden, rob american concrete pavement assn usa...

39
Sponsored By: Federal Aviation Administration FAA Center for Excellence for Airport Technology at the University of Illinois Illinois Center for Transportation at the University of Illinois University of Illinois at UrbanaChampaign International Society for Concrete Pavements Michigan Tech Transportation Institute at Michigan Technological University Pavement Research Institute at the University of Minnesota University of California Pavement Research Center University of California Berkeley Richmond Field Station Richmond, CA, USA August 1315, 2008

Upload: others

Post on 08-May-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

 

                       

Sponsored By:  Federal Aviation Administration FAA Center for Excellence for Airport Technology at the University of Illinois Illinois Center for Transportation at the University of Illinois University of Illinois at Urbana‐Champaign International Society for Concrete Pavements Michigan Tech Transportation Institute at Michigan Technological University Pavement Research Institute at the University of Minnesota University of California Pavement Research Center  

  

University of CaliforniaBerkeley 

 

Richmond Field Station Richmond, CA, USA 

 

August 13‐15, 2008

Page 2: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

1

Table of Contents:  Objective .......................................................................................................................... 4  Workshop Background ..................................................................................................... 4  Workshop Format ............................................................................................................ 4  Workshop Benefits ........................................................................................................... 4  Workshop Personnel ........................................................................................................ 5  Acknowledgements .......................................................................................................... 5  List of Participants ............................................................................................................ 6  Planning Schedule ............................................................................................................ 7  Maps of the Richmond Field Station ................................................................................ 8  Technical Program ......................................................................................................... 10  Disclaimer ....................................................................................................................... 13  Application of Nanotechnology to Concrete Pavement ................................................. 14 

Surendra Shah                Northwestern University  

Addressing Erosion‐Related Distresses in Concrete Pavement Design .......................... 16 Dan Zollinger      Texas A&M University  

Moving Beyond Empirical Models for Behavior of Early Age Concrete ......................... 17 David Lange                 University of Illinois  

Experiences and Challenges for China’s Concrete Pavement Network .......................... 18 Bo Tian                  Research Institute of Highway  

Moisture Warping in Concrete Pavements .................................................................... 19 Will Hansen                     University of Michigan 

 Potential Relative Humidity and Temperature Gradient Effects on Diamond‐Ground Concrete Pavements ...................................................................................................... 20     Rob Rodden      American Concrete Pavement Assn.  

Page 3: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

2

Influence of Concrete Mixture and Admixture on Shrinkage ......................................... 21 Ali Farhang       Swedish Cement & Concrete Research Institute 

 Core‐Ring Model Analysis for Residual Stress in Concrete Beams ................................. 22 

Xinkai Li      Harbin Institute of Technology     Xiangshen Hou    Harbin Institute of Technology     Songlin Ma      Harbin Institute of Technology  Characterizing the Fracture Behaviour of Ultra‐thin Continuously Reinforced Concrete Pavements (UTCRCP)  ..................................................................................................... 23 

Erik Denneman    CSIR Built Environment   Elsabe P. Kearsley    University of Pretoria   Alex T. Visser      University of Pretoria 

 Experimental Validation of Computed Load‐Induced Deflections and Strains in Concrete Pavement Slabs .............................................................................................................. 24 

Kitti Manokhoon    University of Florida Mang Tia      University of Florida Bouzid Choubane    Florida Department of Transportation Michael Bergin    Florida Department of Transportation 

 Selected Results in Mechanics of Concrete and Concrete Structures Obtained under Supervision of Prof. V.D. Kharlab ................................................................................... 25 

Lev Kagan‐Rozentsveyg  St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering 

 Characterization and Impact of Built‐in Curling on Rigid Pavement Response ............. 26 

Jake Hiller                         Michigan Technological University  Indications of the Effect of Coefficient of Thermal Expansion on Cracking of Jointed Concrete Pavements ...................................................................................................... 27 

Erwin Kohler      Dynatest Consulting, Inc.  FWD Consideration of Environmental Effects in the Backcalculation of Jointed Plain Concrete Pavement Layer Moduli and the Associated Challenges ................................ 28 

Mustafa Birkan Bayrak  Iowa State University Halil Ceylan      Iowa State University    

Failure Model Improvement for PCC Pavements ........................................................... 30 Edward Guo      SRA International   

Page 4: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

3

Durable Construction by Help of a Semi‐Probabilistic System and Differentiated Inputs into Thickness Design ............................................................................................................ 31 

Stephan Villaret    Villaret Ingenieurgesellschaft mbH  A Framework using DAKOTA and MEPDG for the Probabilistic Analysis of Pavements 32 

 Steve Wojtkiewicz     University of Minnesota  Mechanistic Modeling of Pavement Performance for Pavement Design  ..................... 33 

Tom Yu       U.S. Federal Highway Administration  Calibration of MEPDG Cracking Models ........................................................................ 34 

John Harvey      University of California‐Davis  Implementation of Fatigue Models for the Design of Concrete Pavements in Brazil .... 35 

 Jose Balbo          University of Sao Paulo  Flexural Capacity of Concrete Slabs ............................................................................... 36 

Jeff Roesler            University of Illinois Cristian Gaedicke           University of Illinois 

 NAPTF Unbonded Concrete Overlay Testing: Challenges and Issues in Materials ........ 37 

Shelley Stoeffels    Pennsylvania State University  Laboratory and Finite Element Modeling of Joint Lockup ............................................. 38 

Lev Khazanovich    University of Minnesota 

Page 5: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

4

Objective:  

This  workshop  aims  to  bring  together  experts  in  concrete  materials characterization, mechanics, modeling, and design to critically discuss and develop concepts to address existing limitations, lack of knowledge, and future direction for improvement of concrete pavement analysis, design, and construction. 

 

Workshop Background:  

This workshop will be the second in a series of fundamental workshops sponsored in part by the International Society for Concrete Pavements (ISCP). The first in this series of workshops was held  in Copper Mountain, Colorado, USA  in August 2005. The  theme of  the 2008 workshop will be  “Advanced Characterization, Modeling, and Design of Concrete Pavements”. 

 

Workshop Format:  

Three  invited  keynote  presentations  summarizing  the  state‐of‐the  art  in concrete pavement  and material modeling,  testing,  and  relevant  applications will be presented by Dr. David Lange (University of Illinois, USA) and Dr. Bo Tian (Research Institute of Highway, China) on Thursday morning and Dr. Lev Kagan‐Rozentsveyg  (St.  Petersburg  State  University  of  Architecture  and  Civil Engineering, Russia) on Friday morning. 

 

In  addition  to  the  keynote  addresses,  23  presentations  are  scheduled representing  8  countries  around  the  globe.    Each  presenter will make  a  10‐minute presentation and lead a subsequent 10‐minute group discussion on the topic. 

 

Recommendations to the 9th International Conference on Concrete Pavements (August 17‐21 in nearby San Francisco) will be discussed and formalized at the end of the workshop. 

  

Workshop Benefits:   

USD$315 workshop  fee  includes: Breakfast  (2), Lunch  (2), and Dinner  (2) on Thursday  and  Friday  as  well  as  the  Wednesday  night  reception  are  also included in the workshop fees.  

 

Each  attendee will  receive  a  program  of  the workshop  abstracts  that were submitted by participants. 

   

Page 6: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

5

Workshop Personnel:  

Workshop Chairmen:     Lev Khazanovich     University of Minnesota     Jeff Roesler       University of Illinois  

Workshop Secretary:     Jake Hiller       Michigan Technological University  

Workshop Steering Committee: José Balbo        University of Sáo Paulo David Brill       Federal Aviation Administration Ali Farhang       Swedish Cement & Concrete Research Institute Carl Monismith     University of California‐Berkeley Jim Signore       University of California‐Berkeley Mark Snyder       Consultant Tom Yu       Federal Highway Administration 

 

Acknowledgements:  

The workshop chairmen, secretary, and steering committee would like to acknowledge the financial and human support given by many individuals and organizations to make this workshop a reality.   A special thanks also goes out to the University of California Pavement Research Center  (UCPRC)  for hosting the workshop  in their  facilities at the Richmond Field Station.  

          

Page 7: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

6

List of Participants:  

Name  Organization  Country  email 

Balbo, Jose  University of São Paulo  Brazil  [email protected]

Beyer, Matt  University of Illinois  USA  [email protected]

Bordelon, Amanda  University of Illinois  USA  [email protected]

Cervantes, Victor  University of Illinois  USA  [email protected]

Ceylan, Halil  Iowa State University  USA  [email protected]

Covarrubias, Juan Pablo  TCPavements Ltda  Chile  [email protected]

Darter, Mike  Applied Research Associates, Inc.  USA  [email protected]

Denneman, Erik  CSIR Built Environment  South Africa  [email protected]

Evangelista, Junior  University of Illinois  USA  [email protected]

Farhang, Ali Swedish Cement and Concrete Research Institute 

Sweden  [email protected]

Gaedicke, Cristian  University of Illinois  USA  [email protected]

Gotlif, Alex  Applied Research Associates, Inc.  USA  [email protected]

Guo, Ed  SRA International, Inc.  USA  [email protected]

Hansen, Will  University of Michigan  USA  [email protected]

Harvey, John  University of California‐Davis  USA  [email protected]

Heogh, Kyle  University of Minnesota  USA  [email protected]

Hiller, Jake  Michigan Technological University  USA  [email protected]

Kagan‐Rozentsveyg, Lev St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering 

Russia  [email protected]

Khazanovich, Lev  University of Minnesota  USA  [email protected]

Kohler, Erwin  Dynatest Consulting, Inc.  USA  [email protected]

Lange, David  University of Illinois  USA  [email protected]

Li, Xinhai  Harbin Institute of Technology  P.R. China  [email protected]

Liu, Yi Shi  University of Illinois  USA  [email protected]

Monismith, Carl  University of California‐Berkeley  USA  [email protected]

Nganjo, Peter  BKS (Pty) Ltd  South Africa  [email protected]

Rodden, Rob  American Concrete Pavement Assn  USA  [email protected]

Roesler, Jeff  University of Illinois  USA  [email protected]

Saxena, Priyam  University of Minnesota  USA  [email protected]

Shah, Surendra  Northwestern University  USA  s‐[email protected]

Signore, Jim  University of California‐Berkeley  USA  [email protected]

Snyder, Mark  Consultant  USA  [email protected]

Stoffels, Shelley  Pennsylvania State University  USA  [email protected]

Tia, Mang  University of Florida  USA  [email protected]

Tian, Bo  Research Institute of Highway  P.R. China  [email protected]

Tompkins, Derek  University of Minnesota  USA  [email protected]

Vandenbossche, Julie  University of Pittsburgh  USA  [email protected]

Villaret , Stephan  Villaret Ingenieurgesellschaft mbH  Germany  [email protected]

Wojtkiewicz, Steve  University of Minnesota  USA  [email protected]

Yu, Tom  Federal Highway Administration  USA  [email protected]

Zollinger, Dan  Texas A&M University  USA  d‐[email protected]

Page 8: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

Planning Schedule:  

A  short  outline  of  the workshop  events  is  provided  below.    A more  detailed technical program can be found later in the program.  Please note that California is on Pacific Daylight Time (GMT ‐8:00) during this workshop.  

Wednesday, August 13 Thursday, August 14 Friday, August 15

7:30

8:00

8:30

9:00

9:30

10:00 Break Break

10:30

11:00

11:30

12:00

12:30

13:00

13:30

14:00

14:30

15:00 Break Break

15:30

16:00

16:30

17:00 Concluding Remarks

17:30

18:00

18:30

19:00

19:30

Arrival of participants and welcoming reception (Skate's Restaurant ‐ 

Berkeley)

Technical Session 2

Technical Session 4

Technical Session 5

Barbeque Dinner          (Richmond Field Station)

Closing Banquet (Spinnaker Restaurant ‐ Sausalito)

Breakfast                 (provided at RFS)

Opening Session

1st and 2nd Keynote Addresses

Technical Session 1

Breakfast                 (provided at RFS)

Lunch                    (provided at RFS)

Technical Session 3

Lunch                    (provided at RFS)

3rd Keynote Address

 

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

7

Page 9: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

Maps of the Richmond Field Station:  

The  workshop  will  be  held  in  Building  #445  at  the  UC‐Berkeley  Richmond  Field Station near Egret Way and Wren Drive.  A map of the Richmond Field Station can be found on the following page of your program.   A map of the Richmond Area  is also provided.  Map and pictures courtesy of  www.rfs.berkeley.edu  

 

 

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

8

Page 10: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

9

Page 11: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

10

Technical Program:  

Wednesday, August 13, 2008 18:00   Welcoming reception (Skate’s on the Bay Restaurant, Berkeley)   http://www.skatesonthebay.com/  

Thursday, August 14, 2008: 7:45  Breakfast at Richmond Field Station  

8:30  OPENING SESSION Opening Remarks 

Dr. Jeff Roesler                   University of Illinois Dr. Lev Khazanovich           University of Minnesota Prof. Carl Monismith  University of California‐Berkeley Dr. Dan Zollinger  Texas A&M University   

Application of Nanotechnology to Concrete Pavement Dr. Surendra Shah               Northwestern University 

 

Addressing Erosion‐Related Distresses in Concrete Pavement Design Dr. Dan Zollinger    Texas A&M University 

 

10:00  Break  

10:30  FIRST KEYNOTE ADDRESS        Introduction: Dr. Jeff Roesler Moving Beyond Empirical Models for Behavior of Early Age Concrete 

Dr. David Lange                 University of Illinois  

11:15  SECOND KEYNOTE ADDRESS        Introduction: Dr. Jeff Roesler   Experiences and Challenges for China’s Concrete Pavement Network 

Dr. Bo Tian      Research Institute of Highway  

12:00  Lunch at Richmond Field Station  

13:30  TECHNICAL SESSION 1      Moderator: Dr. José Balbo Moisture Warping in Concrete Pavements  

Dr. Will Hansen                    University of Michigan  

Potential Relative Humidity and Temperature Gradient Effects on Diamond‐Ground Concrete Pavements 

      Rob Rodden      American Concrete Pavement Assn.  

Influence of Concrete Mixture and Admixture on Shrinkage Dr. Ali Farhang       Swedish Cement & Conc. Research Institute  

Core‐Ring Model Analysis for Residual Stress in Concrete Beams Xinkai Li      Harbin Institute of Technology 

Page 12: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

11

15:00  Break  

15:30  TECHNICAL SESSION 2         Moderator: Dr. Jake Hiller Fiber‐Reinforced Concrete for Ultra‐Thin Whitetopping Applications 

Dr. Julie Vandenbossche  University of Pittsburgh  

Thin Concrete Pavements Dr. Juan Pablo Covarrubias  TCPavements Ltda  

Characterizing the Fracture Behaviour of Ultra‐thin Continuously Reinforced Concrete Pavements (UTCRCP) 

Erik Denneman      CSIR Built Environment  

Experimental Validation of Computed Load‐Induced Deflections and Strains in Concrete Pavement Slabs 

Dr. Mang Tia              University of Florida  

18:00  Cookout dinner at Richmond Field Station  

Friday, August 15, 2008: 7:45  Breakfast at Richmond Field Station  

8:30  THIRD KEYNOTE ADDRESS  Introduction: Dr. Lev Khazanovich Selected Results in Mechanics of Concrete and Concrete Structures Obtained under Supervision of Prof. V.D. Kharlab 

Dr. Lev Kagan‐Rozentsveyg  St. Petersburg State University of  Architecture and Civil Engineering 

 

Concrete Pavement Design and Construction at High Elevations Dr. Mike Darter     ARA, Inc. 

 

10:00  Break  

10:30  TECHNICAL SESSION 3         Moderator: Dr. Will Hansen Characterization and Impact of Built‐in Curling on Rigid Pavement Response 

Dr. Jake Hiller                         Michigan Technological University  

Indications of the Effect of Coefficient of Thermal Expansion on Cracking of Jointed Concrete Pavements   Dr. Erwin Kohler    Dynatest Consulting, Inc. 

 

Consideration of Environmental Effects in the Backcalculation of Jointed Plain Concrete Pavement Layer Moduli and the Associated Challenges 

Dr. Halil Ceylan         Iowa State University  

Failure Model Improvement for PCC Pavements Dr. Edward Guo     SRA International 

 

12:00  Lunch at Richmond Field Station 

Page 13: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

12

13:30  TECHNICAL SESSION 4         Moderator: Dr. Mark Snyder Durable Construction by Help of a Semi‐Probabilistic System and Differentiated Inputs into Thickness Design 

Dipl.ing. Stephan Villaret  Villaret Ingenieurgesellschaft mbH  

A Framework using DAKOTA and MEPDG for the Probabilistic Analysis of Pavements Dr. Steve Wojtkiewicz     University of Minnesota  

Mechanistic Modeling of Pavement Performance for Pavement Design  Tom Yu        U.S. Federal Highway Administration  

Calibration of MEPDG Cracking Models   Dr. John Harvey     University of California‐Davis 

 

15:00  Break  

15:30  TECHNICAL SESSION 5    Moderator: Dr. Dan Zollinger Implementation of Fatigue Models for the Design of Concrete Pavements in Brazil 

Dr. Jose Balbo          University of Sao Paulo  

Flexural Capacity of Concrete Slabs Dr. Jeff Roesler            University of Illinois 

 

NAPTF Unbonded Concrete Overlay Testing: Challenges and Issues in Materials Characterization  

Dr. Shelley Stoeffels    Pennsylvania State University  

Laboratory and Finite Element Modeling of Joint Lockup Dr. Lev Khazanovich    University of Minnesota 

 

17:00  WORKSHOP CONCLUDING REMARKS  

18:00  Banquet dinner at the Spinnaker Restaurant in Sausalito   http://www.thespinnaker.com/ 

 

Saturday, August 16, 2008: 9:30  Napa wine tour (vans leave from Doubletree Berkeley Marina hotel)

 

Page 14: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

13

Disclaimer:  

This workshop program  includes abstracts that have not been through a peer‐review process.  Any material presented in these abstracts is the responsibility of the respective authors. 

  

Page 15: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

14

Application of Nanotechnology to Concrete Pavement 

Surendra P. Shah Northwestern University, Evanston, Illinois, USA  Using nanotechnology, researchers are exploring ways to enhance the strength of concrete 

pavement while at the same time make the product and production more environmentally 

friendly. Three potential applications of nanotechnology,  characterization, processing, and 

sensor development, are discussed.   Concrete pavement  is constructed utilizing a slip‐cast 

process. A possible drawback to this method  is the use of  internal vibration. Elimination of 

internal  vibration  can  lead  to  better  durability,  less  noise  pollution,  and  less  energy 

consumption.  Jointly,  with  Iowa  State  University,  my  research  group  is  working  to 

manipulate the composition of concrete so that internal vibration is not required in the slip‐

cast process.  It has been  found that the addition of small amounts of nanoclay can  impart 

both  sufficient  flowability and high green  strength  (shape  stability) after  slip‐casting. How 

cement particles flocculate to gain strength immediately after casting is being studied using 

tools such as focused laser beam reflection measurements. 

Currently, no satisfactory method is available to monitor the strength of concrete after it is 

cast. Sensors based on nuclear magnetic resonance, measurements of dielectric properties 

at gigahertz frequency, and ultrasonic shear wave reflection are currently being studied. We 

are using very high frequency ultrasonic shear waves to monitor the dynamic shear modulus 

of elasticity of  concrete  immediately after  it  is  cast.   When  concrete  is  liquid,  it does not 

transmit shear waves. However, as it solidifies, more and more shear waves are transmitted.  

This  shear  wave  reflection  coefficient  corresponds  well  with  the  measurements  of 

compressive strength. It appears that the relation between the coefficient and compressive 

strength is linear and independent of the temperature of curing. 

Concrete  is  a  quasi‐brittle  material.  Macroscopic  fracture  is  preceded  by  microcracks. 

Conventional  reinforcement  can  constrain  macrocracks  but  does  not  interact  with 

microcracks.  It has been shown that concrete reinforced with microfibers can substantially 

increase the tensile strength of concrete, unlike conventional reinforcing. The next step is to 

Page 16: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

15

reinforce cement with nanofibers so  that  the cement  itself can be made ductile. Research 

being conducted with carbon nanotubes will be presented. 

Page 17: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

16

Addressing Erosion‐Related Distresses in Concrete Pavement Design 

Dan G. Zollinger Texas A&M University, College Station, Texas, USA  The  consideration  of  erosion  in  concrete  pavement  design  is  deficient  and  distress 

mechanisms  related  to  erosion  are  the most  significant  observed  under  field  conditions.  

However,  these distress mechanisms are  the  least  considered  in  the design process.   This 

presentation will briefly review past and current design procedures with respect to erosion‐

related  distresses,  while  elaborating  on  the  relevance  of  the  distress  modes  that  are 

addressed  in  design.    This  presentation  will  also  briefly  review  testing  for  erosion  and 

address some rational approaches to simulate erosion‐related distress. 

Page 18: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

17

Moving Beyond Empirical Models for Behavior of Early Age Concrete 

David A. Lange University of Illinois at Urbana‐Champaign, Urbana, Illinois, USA  Typical  textbooks  illustrate  strength  gain,  modulus  gain,  shrinkage  and  creep  as  simple 

curves  as  a  function  of  time.    The  shapes  of  the  curves  will  vary  depending  on  mix 

proportions, sources of constituents, temperature, and many other issues.  The problem, of 

course, is that such curves are not general.  There is little one can do to predict the behavior 

of a new material without a testing program to define its unique qualities.  Over the past 10 

years  or  so,  researchers  at  the University  of  Illinois  and  elsewhere  have made  significant 

progress in linking early behavior to more fundamental physical models.  For example, a new 

model for drying shrinkage utilizes capillary stress as the basic driving force and accounts for 

creep deformation that occurs when a solid microstructure is under sustained stress ... and it 

works.   These kinds of physical models promise more robust  insight  into material behavior, 

allowing material researchers to rationally think about the many parameters that contribute 

to early age behavior. 

Page 19: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

18

Experiences and Challenges for China’s Concrete Pavement Network 

Bo Tian Research Institute of Highway, Beijing, China  The  first part of  this presentation will provide an overview of concrete pavement usage  in 

China.  This overview will include statistics such as total mileage of concrete pavements built 

based on roadway classification as well as a background on temperature and latitude‐related 

challenges  in China.   Chinese specifications for concrete pavement design and construction 

will also be discussed  including bending strength, thickness, and geometric standards.   The 

predominant  challenges  to  the  concrete  pavement  network  in  China  include  pumping, 

faulting,  and  premature  failures.    In  addition,  techniques  that  are  being  employed  to 

overcome these challenges will also be addressed. 

This presentation will also focus on the mechanical theory of concrete pavements as utilized 

in  China.    The  use  of  a  solid  foundation  in  modeling  support  conditions  is  viewed  as 

standard.  This difference in modeling concrete pavements can provide distinct divergence in 

the calculation of stresses from external loading and temperature from the standard Winkler 

foundation model utilized in many parts of the world. 

Page 20: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

19

Moisture Warping of Slabs on Grade 

Will Hansen University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA  Moisture  warping  is  the  deformation  of  the  slab  surface  profile  due  to  a  non‐uniform 

moisture gradient (i.e. pore‐humidity gradient) between the top and the bottom.  Typically, 

the top surface is exposed to drying and thus shrinks more than the bottom.  Consequently, 

edges will  tend  to warp  upward.    Slabs  on  grade  therefore  can  be  expected  to  be  in  a 

permanent  upward  edge  warping  condition.    Autogenous  shrinkage  is  another  form  of 

moisture  shrinkage.    It  is  caused by  self‐desiccation  from  cement hydration.   Autogenous 

shrinkage occurs without moisture loss to the surroundings, as opposed to drying shrinkage.  

The  pore‐humidity  decreases  uniformly  within  a  cross  section  with  increasing  cement 

hydration.   Thus, no moisture warping develops as a  result of  self‐desiccation.   Concretes 

with  water‐cement  ratios  less  than  about  0.70  are  in  a  state  of  reduced  pore‐humidity 

during  sealed  curing.    If  a  concrete  slab  is  resting  on  a wet  foundation, moisture  uptake 

within the bottom portion of the slab will result in a steep moisture gradient limited to about 

75‐100mm due  to pore‐discontinuity.   Moisture gradients  from surface drying and bottom 

wetting work together to increase moisture warping uplift of slabs on grade.   

Page 21: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

20

Potential Relative Humidity and Temperature Gradient Effects on Diamond‐Ground Concrete Pavements 

Robert Rodden American Concrete Pavement Association, Skokie, Illinois, USA  According to the FHWA, one of the advantages of diamond grinding is that a "smooth ride is 

achieved by  ...  removing construction curling and moisture‐gradient warping of  the slabs."  

This advantage can be seen clearly  in any diamond grinding project by comparing the pre‐

ground and immediately post‐ground profiles.  There is, however, currently no consideration 

for the relative humidity and temperature gradients in the slabs at the time of grinding and, 

in  some  rare  instances,  unsatisfactory  post‐ground  behavior  may  be  observed  if  the 

pavement  is diamond ground at a non‐optimal  time.   This presentation will discuss how a 

"smoothening" of  the  surface  to  remove environmental gradients  in one  specific ambient 

condition may result in a non‐smooth pavement once other ambient conditions are applied 

to a diamond‐ground concrete pavement.   

Page 22: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

21

Influence of Concrete Mixture and Admixture on Shrinkage 

Ali Farhang  Swedish Cement and Concrete Research Institute (CBI), SE‐ 100 44 Stockholm, Sweden  

Limiting  concrete  drying  shrinkage  is  an  effective  way  of  reducing  the  risk  of  shrinkage 

cracking and therefore should be a number one priority when designing restrained concrete 

structures  such  as  industrial  concrete  floors  and  some  types  of  concrete  pavements. 

Limitation of concrete drying shrinkage may be achieved by either reducing the external and 

internal restraint and/or by  lowering  the amount of shrinkage. At  the present  time an on‐

going experimental  research  is under progress at Swedish Cement and Concrete Research 

Institute (CBI) with focus on the influence of different mixtures and admixtures on concrete 

shrinkage. The main aim of the research is to lower the amount of concrete shrinkage for a 

typical concrete industrial floor with water‐cement‐ratio of 0.55 and a good workability.  

In  the  first part of  the  laboratory  tests,  the  influence of concrete mix design on  shrinkage 

was  studied  by  testing different measures. One measure was  to  use  different  amount  of 

aggregate  groups  (0‐8 mm,  8‐16 mm  and  16‐25 mm) with  a  total  aggregate  grading  that 

minimize  the  amount  of  paste  in  the  mix.  The  other  tested  measures  for  minimizing 

shrinkage were  to  use  larger  dmax,  to  reduce water  demand,  to  reduce  amount  of  fine 

aggregates  (particles  under  0,63 mm),  to wash  the  0‐2 mm  fractions,  to  replace  0‐2 mm 

fractions with sand, and replacing some part of cement with fly ash. More than 20 different 

concrete  recipes were cast and  the  shrinkage developments were measured. Some of  the 

important  findings  will  be  presented  during  the  Second  Workshop  on  Advanced 

Characterization, Modeling, and Design of Concrete Pavements. 

In the next part of the laboratory tests, the some of concrete mix with lowest shrinkage will 

be chosen and the additional effect of shrinkage reducing admixture (SRA) on shrinkage will 

be studied. In addition to free shrinkage, restrained shrinkage, creep, elasticity modulus and 

strength will be studied for chosen mixtures. 

Page 23: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

22

Core‐Ring Model Analysis for Residual Stress in Concrete Beams 

Xinkai Li Xiangshen Hou Songlin Ma Harbin Institute of Technology, Harbin, Nangang, P.R. of China  It is impossible to know what the pavement strength is before knowing the residual stresses 

in a concrete pavement. Core‐ring strain gage (CRSG) method was employed for measuring 

residual  stresses  in  concrete  beams  at  Federal  Aviation  Administration’s  (FAA’s) National 

Airport Pavement Test Facility  in 2007. CRSG method  is  similar  to hole‐drilling  strain‐gage 

(HDSG) method popularly used for metal structures; however,  it drills a “core‐ring”  instead 

of  drilling  a  hole.  Numerical  analysis  using  ABAQUS with  core‐ring  and  hole models  are 

conducted and comparisons of results are presented  in this paper. And the results are also 

compared with  the  results  in  FAA’s beam  tests.  It has been  found  that  (1)  the numerical 

differences using the two models are insignificant and appear when the drilling depth is less 

than 0.762cm  (0.3  inch). When the drilling depth  increases, the difference  is negligible;  (2) 

the  results calculated by both models are close  to  the measured ones by FAA. The  results 

indicate  that  3D  finite  element  procedure  can  well  simulate  the  tests.  Effects  of  three 

parameters,  core‐ring  size, depth,  and  spacing  to  core‐ring  edge on  the  released  residual 

stresses have been analyzed, and  the numerical  results provide  significant  information  for 

planning future tests. 

Page 24: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

23

Characterizing  the Fracture Behaviour of Ultra‐thin Continuously Reinforced Concrete Pavements (UTCRCP) 

Erik Denneman  CSIR Built Environment, Pretoria, South Africa  Elsabe P. Kearsley Alex T. Visser University of Pretoria, South Africa  Over  the  past  years  an  innovative  pavement  system  known  as  ultra‐thin  continuously 

reinforced  concrete pavement  (UTCRCP) has been developed and  tested under  the heavy 

vehicle simulator (HVS) in South Africa. The test sections are around 50 mm in thickness and 

contain significant amounts of steel fibres (80‐120 kg/m3). Plans to implement the system in 

the  rehabilitation  of  principal  highways  have  reached  a  mature  stage.  Against  this 

background a need was  identified  to develop new  fatigue damage models  for  this specific 

type  of  material  and  application.  Previous  studies  have  shown  the  material  to  have  a 

significant ductile component in fracture as a result of the high quantities of steel fibres. The 

ultimate  goal  is  to  develop  a  fracture mechanics  based model  for  the  prediction  fatigue 

failure of steel fibre reinforced concrete (SFRC) beams under dynamic  loading. However,  in 

order  to  select  a  suitable  fracture mechanics  approach  (i.e.:  quasi‐brittle  or  plastic),  the 

behaviour  of  the  beams  under  static  loading  had  to  be  known.  The  test matrix  included 

Beams of various dimensions, as well as round panels tested  in accordance with RILEM TC 

50‐FMC and ASTM C 1550‐05 respectively. Two fibre contents were used and samples with 

and without reinforcement bars were tested. The fracture behaviour of the tested material 

is discussed in present paper.  

Page 25: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

24

Experimental Validation of Computed Load‐Induced Deflections and Strains in Concrete Pavement Slabs 

Kitti Manokhoon Mang Tia University of Florida, Gainesville, Florida, USA  Bouzid Choubane Michael Bergin Florida Department of Transportation, Gainesville, Florida, USA  Full‐scale  instrumented  concrete  slabs were  constructed and  tested by means of a Heavy 

Vehicle Simulator (HVS) to study the behavior of concrete replacement slabs at early age and 

the effects of  concrete properties on  the performance of  the  replacement  slabs. The  test 

slabs were modeled by a finite element model, FEACONS, which considers the effects of the 

temperature  differential  in  the  slabs  as  well  as  the  effects  of  the  applied  load,  elastic 

modulus  and  coefficient  of  thermal  expansion  of  concrete,  slab  thickness,  joint 

characteristics  and  effective  subgrade  stiffness.    The model  used was  calibrated  by  back‐

calculations  using  Falling  Weight  Deflection  (FWD)  data,  and  also  by  comparing  the 

computed strains with the measured strains from embedded strain gages  in the test slabs. 

The  results of  the study show  that  the calibrated FEACONS model was able  to predict  the 

load and temperature induced deflections and strains in the concrete slabs well, and can be 

used to analyze the behavior of concrete replacement slabs. 

Page 26: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

25

Selected Results in Mechanics of Concrete and Concrete Structures Obtained under Supervision of Prof. V.D. Kharlab 

Lev Kagan‐Rozentsveyg St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, St. Petersburg, Russia  The presentation will begin with a brief overview of 50  years of  research activities  in  the 

areas of concrete creep, shrinkage, and  fracture performed under supervision of professor 

Kharlab at the St.‐Petersburg University of Architecture and Civil Engineering.  The following 

three  topics will be considered  in more detail:  creep analysis of aging growing  structures; 

modeling of concrete creep behavior at very early ages; and gradient strength analysis. 

A  general  theory  of  viscoelastic  behavior  for  homogeneous  aging  structures  changing  its 

geometry under  loading (growing structures) was developed by Prof. Kharlab  in 1960s.   An 

elastic‐viscoelastic corresponding principle was derived for these types of structures.   

One of the applications of the general theory of growing structures was the development of 

a model  describing  concrete  creep  at  early  age.    The model  treats  concrete  as  a  porous 

composite material with pores  continuously  filled up  (internal growth).   The  inputs of  the 

model  include  the modulus of elasticity curve at early age and  the creep compliance at a 

sufficiently large age when extensive aging is completed (for example, 28‐day old concrete).  

These  inputs are  relatively easy  to measure  in  the  lab.   Using  these  inputs,  the model can 

predict the creep compliance and creep Poisson’s ratio at any age. 

Finally, development of a  singular  failure  criterion  for quasi‐brittle materials  is presented.  

This criterion utilizes the stress state obtained from the linear elastic analysis and is able to 

account  for non‐uniformity of  the stress state on strength and evaluate strength at points 

with singular stress states.    An application of this criterion for the stress states obtained for 

classical boundary value problems  is presented.    It  is  shown  that  for  the analysis of  small 

cracks  in  infinite  bodies  the  proposed  criterion  offers  an  improvement  compared  to  the 

linear elastic fracture mechanics (LEFM) criterion. 

Page 27: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

26

Characterization and Impact of Built‐in Curling on Rigid Pavement Response 

Jacob E. Hiller Michigan Technological University, Houghton, Michigan, USA 

 For  over  half  a  century,  researchers  and  practitioners  have  noted  a  permanent  curl  to 

concrete  in  slabs‐on‐grade  and  jointed  pavement  applications.    This  “built‐in  curling” 

phenomenon can be affected by factors such as construction temperature conditions, curing 

methods, concrete mix design, slab geometry, support conditions, and restraint of the slab, 

among others.   Built‐in curling can have a profound effect on both  ride quality and  stress 

development  that  has  gone  unaccounted  for  until  recent  mechanistic‐empirical  analysis 

procedures such as the Mechanistic‐Empirical Pavement Design Guide and RadiCAL.   While 

built‐in  curling mechanisms  tend  to  be  relatively  permanent  after  early‐age  creep  effects 

have dissipated in concrete, this level of curl works in conjunction with cyclical temperature 

curling and moisture warping mechanisms to produce the total measureable level of curl in 

concrete slabs.  This total amount of curl can result in a loss of support in the corners of the 

slabs even  in the most extreme daytime temperature profile conditions, thereby  increasing 

stresses  from external  loading and  introducing axle spacing as a critical  factor  in top‐down 

fatigue crack development.  This change in fundamental assumptions of stress development 

in concrete pavements can affect both the timing and location of fatigue damage in concrete 

pavements.  This presentation aims to look at both fixed and controllable factors that affect 

built‐in curling as well as what design parameters can be chosen to help influence both the 

timing  and  the  fatigue  cracking mechanism when  failure  does  occur  in  jointed  concrete 

pavements. 

Page 28: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

27

Indications of  the Effect of Coefficient of Thermal Expansion on Cracking of Jointed Concrete Pavements 

Erwin R. Kohler Dynatest Consulting, Inc., Davis, California, USA  The  influence of the coefficient of thermal expansion (CTE) on cracking of  jointed concrete 

pavements  is  investigated  in  this  study,  based  on  crack  survey  data  and  laboratory 

evaluation  of  samples  from  approximately  one  hundred  sections  of  in‐service  highway 

pavements  throughout  the  state  of  California.    The  CTE  values  found  in  the  experiment 

ranges  from 4.8  to 6.7 microstrain/°F. The  sections’  cracking data was obtained  from  the 

Caltrans pavement management database, and consisted of first stage cracking, third stage 

cracking, and corner cracking. Condition data for sections up to 46 years old was  included. 

Taking  into  account  the  slabs  on  all  traffic  lanes  of  all  sections  and  the  time  histories  of 

cracking data, the number of cases  investigated  in the study exceeded 3,400.  It was  found 

that  CTE  does  affect  crack  development  on  jointed  concrete  pavements.  Despite  the 

difficulties  of  subjective  cracking  data,  the  pavements  with  CTE  higher  than  5.7 

microstrain/°F showed more cracking that those with CTE lower than this value 

Page 29: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

28

Consideration of Environmental Effects in the Backcalculation of Jointed Plain Concrete Pavement Layer Moduli and the Associated Challenges 

Mustafa Birkan Bayrak Halil Ceylan Iowa State University, Ames, Iowa, USA  Falling Weight Deflectometer (FWD) tests are conducted on concrete pavement systems to 

assess the in‐situ structural capacity of pavement, evaluate joint load transfer efficiency, and 

to  identify  voids  under  joints.  In  order  to  evaluate  the  structural  condition  of  in‐service 

concrete  pavements  and  to  characterize  the  layer  properties  as  inputs  into  available 

numerical  or  analytical  programs,  backcalculation  of  pavement  properties  from  FWD  test 

data is a useful tool. The elastic modulus of the slab (EPCC) and the coefficient of subgrade 

reaction (ks) are the backcalculated layer moduli parameters for Jointed Plain Concrete (JPC) 

pavement systems. 

 

It  is  known  that  the  environmental  conditions  during  the  time  of  FWD  testing  have  an 

influence on the  final backcalculation analysis results. Especially the Temperature Gradient 

(TG) through concrete slab thickness results in slab deformation (typically referred to as slab 

curling)  which  affects  the  deflection  basin  measured  during  the  FWD  tests.  Therefore, 

backcalculated moduli of pavement layers based on flat‐slab condition assumptions may be 

unrealistic. The  first step towards resolving this challenging problem  is to predict the Total 

Effective Linear Temperature Difference (TELTD). 

 

The objective of this investigation is to develop a rapid methodology for backcalculating the 

TELTD  in  JPC pavement  systems  from  the FWD deflection basins and  the  thickness of  the 

concrete  slab. With  additional  tests  in  the  field,  it may  also  be  possible  to  estimate  the 

Effective Built‐In Temperature Difference  (EBITD) which  is an  important component of any 

mechanistic‐empirical design procedure for JPC pavements. 

 

Page 30: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

29

The  results  of  this  study  demonstrated  that  trained Neural Networks  (NN)  based models 

have the potential to successfully predict the TELTD of  in‐service pavements  in an efficient 

and  cost‐effective  way  without  any  need  for  embedded  instrumentations  in  concrete 

pavements. Therefore, such NN‐based backcalculation models can be used for large number 

of concrete slabs  in a  relatively short period of  time  for estimating  the TELTD  that can be 

used  for  adjustments  for  the  in‐situ  structural  capacity  of  JPC  pavement  systems.  There 

needs to be a comprehensive FWD testing program and related field investigation to further 

validate the findings of this study.

Page 31: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

30

Failure Model Improvement for PCC Pavements 

Edward Guo  SRA International, Atlantic City, New Jersey, USA  The  definition  of  structural  failure  model  is  proposed  for  differentiating  it  from  the 

pavement design model. Three failure stages are clearly defined: initiation of the first crack, 

crack  development  to  full  depth  and  length,  and  pavement  failed  to  provide  expected 

service. The three failure stages have been observed at the FAA’s National Airport Pavement 

Test Facility and are presented in this workshop. The key parameter, �/MR (Critical stress / 

specimen strength), seems insufficient to describe and understand the failure mechanism of 

a  concrete pavement. How  to  improve  the  existing  failure model? Pending questions  are 

provided for discussion in the workshop.      

Page 32: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

31

Durable  Construction  by  Help  of  a  Semi‐Probabilistic  System  and Differentiated Inputs into Thickness Design 

Stephan Villaret Villaret Ingenieurgesellschaft mbH, Frankfurt, Germany  This report doesn’t deal with all the influences on durability of concrete pavements, but only 

with thickness design to avoid cracks and the most important inputs into it. It is shown that a 

semi‐probabilistic method  is  the most  complex one  today. By help of  this  it  is possible  to 

consider all deciding properties each  for  itself with a certain statistical safety – so  that an 

overall  factor of safety must not be applied. Rather  for roads certain (limited)  failure rates 

during lifetime may be allowed. 

 

The  author  accentuates  the  need  for  input  correctly  investigated  structural  and material 

properties  into  dimensioning.  So  he  gives  reasons  for  use  of  the  tensile  split  strength  – 

determined  by  correctly  defined  guidelines  ‐  as  no  concrete  pavement  fails  at  low 

compressive  strength,  but  of  low  tensile  split  strength.  Thus  cracks  begin  from  upside  or 

underside of the concrete pavement. 

 

Thickness results, designed by program AWDSTAKO  in dependence of strength, slab  length 

and width as well as the number of equivalent loads are shown. Last but not least it is shown 

that it isn’t possible to allow a failure rate of 100 or 40 % on lifetime end, in these cases after 

the half time 70 to 80 % of the slabs would fail. This is why the run of the fatigue curves  is 

not linear. Therefore only failure rates of 5 to 10 % should be used at calculation.

Page 33: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

32

A  Framework  using  DAKOTA  and MEPDG  for  the  Probabilistic  Analysis  of Pavements  

Steven F. Wojtkiewicz University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, USA  This work describes the development of a software  framework combining two pre‐existing 

software packages, the Mechanistic‐Empirical Pavement Design Guide (ME‐PDG) and Design 

Analysis  Kit  for  Optimization  and  Terascale  Applications  (DAKOTA),  to  facilitate  the 

probabilistic  analysis  of  pavements.  The  overarching  goal  of  this  study  is  to  gain  deeper 

insight  into the design of rigid and flexible pavements, thereby  leading to better pavement 

designs. ME‐PDG  is  a  design  tool which  predicts  the  reliabilities  and distresses  in  various 

pavement characteristics such as cracking, rutting,  joint faulting etc. over the design  life of 

the  pavement,  based  upon  a  given  set  of  design  parameters  (layer  thicknesses,  concrete 

strength  etc.).  However,  a  large  number  of  input  sample  sets  must  be  considered  to 

determine what,  if  any,  statistical  relationships  can be drawn between  the  input  and  the 

output variability. DAKOTA  is a toolkit developed to facilitate rapid, systematic probabilistic 

studies  using  study‐specific  simulator  models  (ME‐PDG  in  this  study).  DAKOTA  allows 

analysts to efficiently execute iterative analyses of the simulator model including parametric 

studies, design of computer experiments, uncertainty quantification and optimization. This 

presentation  will  provide  an  overview  of  the  architecture  of  the  developed  software 

framework and discuss  the  challenges encountered  in  its  implementation. The  framework 

was  utilized  to  perform  a  probabilistic,  parametric  study of  a  rigid  pavement  design.  The 

study consisted of 300 random sets of design input data (asphalt concrete thickness, 28‐day 

PCC compressive  strength,  initial  IRI,  joint  spacing,  loss of  full  friction).     Results  from  this 

statistical  analysis  of  the  variations  in  the  predictions  of  distress  values  for  terminal  IRI, 

transverse cracking and mean joint faulting will be presented. 

Page 34: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

33

Calibration of MEPDG Cracking Models 

John T. Harvey University of California‐Davis, Davis, California, USA  The  University  of  California  Pavement  Research  Center  (UCPRC)  team  (UC  Davis,  UC 

Berkeley,  Dynatest  Consulting)  has  been  working  with  the  California  Department  of 

Transportation  to  validate,  calibrate  and  implement  mechanistic‐empirical  design 

procedures  and  design  tools  based  on ME  design  procedures  for  rigid  pavements.    The 

discussion  will  briefly  present  the  results  of  this  work,  the  questions  raised,  and  the 

unresolved and partially resolved answers.  Questions measurement, estimation and effects 

of  surface  albedo,  long‐term  slab  warping  due  to  differential  drying  shrinkage,  CTE  and 

flexural  strength.    The  most  important  effect  to  be  discussed,  which  dominated  the 

calibration process was friction between base and slab.  This project has exclusively focused 

on plain jointed concrete pavement, nearly all built without dowels. 

Page 35: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

34

Mechanistic Modeling of Pavement Performance for Pavement Design 

H. Thomas Yu Federal Highway Administration, McLean, Virginia, USA  In developing Mechanistic Empirical Pavement Design Guide (MEPDG), efforts were made to 

refine  the  mechanistic  modeling  process  to  the  extent  possible  using  the  available 

technology.   The state of the technology at the time was such that significant refinements 

were possible, even compared to the time of NCHRP Project 1‐26, the previous attempt at 

ME pavement design completed  in 1990.   For example, ESALS were replaced with the  load 

spectra data, environmental effects are modeled using hourly climatic data, and the effects 

of material properties,  as well  as  the  effects  of  changes  in material properties over  time 

were modeled.    Pavement  performance  predicted  using  the MEPDG models  can  be  very 

sensitive  to  several of  the  input parameters,  including  climate  (weather  station), material 

properties,  and  various  traffic  inputs.    However,  both  the  ability  to  predict  some  of  the 

design inputs (such as hourly weather condition and axle load distribution) to such detail and 

the  need  for  such  detailed  data  are  in  question.    Given  the  uncertainties  involved,  it  is 

possible that some average input (e.g., monthly‐average, hourly temperatures; and regional‐

average axle  load distribution) may better  characterize  the  local  conditions and are more 

appropriate for use in pavement design. 

Page 36: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

35

Implementation of Fatigue Models  for  the Design of Concrete Pavements  in Brazil 

José Balbo University of Sáo Paulo, Sáo Paulo, Brazil  Portland cement concrete has been used for pavement construction  in Brazil since the end 

of the first quarter of  last century for highways, harbor terminals, airport aprons and even 

for  buses  corridors  and  industrial  floors,  and  recently,  the  interests  for  such  a  paving 

material  increased.  Results  of  a  laboratorial  investigation  of  fatigue  resistance  of  high 

strength  concrete  (HSC)  for  paving  are  presented  herein,  employing  a  mixture  of  raw 

materials  from  São  Paulo  area.  Simulation  of  the HSC  fatigue model  is  done  in  order  to 

compare  changes  in  slab  thickness when  using  the  PCA‐84  design  criteria.  Received  data 

suggests the need  for searching specific models  for  local materials  instead of using  former 

laboratorial derivate equations for design. 

Page 37: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

36

Flexural Capacity of Concrete Slabs 

Jeffery R. Roesler Cristian Gaedicke 

University of Illinois at Urbana‐Champaign, Urbana, Illinois, USA  The  fatigue  life prediction of concrete slabs has traditionally been based calculation of the 

ratio of the critical tensile stress to the beam flexural strength, which is then related to the 

number of allowable  load applications to failure. Fatigue curves have been developed over 

the years to relate the stress ratio to the load cycles to failure from laboratory beam fatigue 

testing,  laboratory  slab  testing,  accelerated  pavement  testing,  and  field  performance 

observations. It has been shown through laboratory and field tests that the flexural strength 

of the concrete based on the simply supported beam test is not an accurate representation 

of the strength of concrete slabs. A new approach to calculate the flexural  load capacity of 

concrete slabs  is proposed to enable consideration of the geometry and concrete material 

dependent  load  capacity  of  concrete  pavements.  This  new  approach  uses  a  3‐D  finite 

element simulation of a concrete slab with cohesive elements. The constitutive relationship 

for  the  cohesive  zone model  is  defined  from  experimental  fracture  parameters  based  on 

single edge notched beam tests. 

Page 38: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

37

NAPTF  Unbonded  Concrete  Overlay  Testing:  Challenges  and  Issues  in Materials Characterization 

Shelley M. Stoffels Pennsylvania State University, State College, Pennsylvania, USA  Full  scale  testing  of  unbonded  concrete  overlays  was  conducted  at  the  NAPTF  in  two 

experimental stages.   Construction of the first stage  included the  initial underlay pavement 

in three thicknesses, an asphalt concrete  interlayer, and the construction of the overlay  in 

three  thicknesses.   The  thickest overlay was placed on  the  thinnest underlay,  resulting  in 

three ratios of overlay to underlay thickness.  Each of the three structural cross‐sections was 

divided  into  two  test  items,  one  loaded with  a  dual  tandem  and  one with  a  triple  dual 

tandem gear.  All test items were loaded to failure, and the overlay and interlayer removed.  

After inspection of the underlay and load‐inducement of further distress, the interlayer and 

overlay were reconstructed.   The  loading was then repeated, but at a  lower wheel  load to 

compensate for the deteriorated underlay. 

 

During  both  stages  of  construction,  conventional  quality  control  volumetric  and  strength 

testing of the materials was conducted.  The concrete strengths achieved were substantially 

less than expected, perhaps due to the cold weather construction.  During the second stage 

of  overlay  construction,  the mix  design was  changed,  reducing  the  percentage  of  flyash.  

However,  the  flexural  strength was  not  substantially  increased.    For  the  second  overlay, 

fracture characterization of the mix both before and after loading was also performed.  The 

results  of  the  fracture  characterization,  in  tandem with  the  conventional  testing, will  be 

presented during this workshop.   Discussion will be requested of possible  implications and 

uses  of  the  data.    In  addition,  interlayer material  has  been  retained  and  is  available  for 

testing.    The  planned  testing  program  will  also  be  discussed,  in  the  context  of  desired 

modeling inputs and relationships to instrumentation responses.

Page 39: Sponsored By · PeterN@bks.co.za Rodden, Rob American Concrete Pavement Assn USA rrodden@pavement.com; Roesler, Jeff University of Illinois USA jroesler@illinois.edu Saxena, Priyam

SECOND WORKSHOP ON ADVANCED CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF CONCRETE PAVEMENTS UNIVERSITY OF CALIFORNIA-BERKELEY RICHMOND FIELD STATION RICHMOND, CALIFORNIA, USA AUGUST 13-15, 2008

38

Laboratory and Finite Element Modeling of Joint Lockup 

Lev Khazanovich University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, USA  Transverse  joints allow for the expansion and contraction of the concrete  layer  in portland 

cement concrete (PCC) pavements due to temperature and moisture variations.  Dowels are 

used in these joints to improve load transfer capacity across the joint in order to reduce slab 

deflections and stresses.  However, the ability of the concrete to expand and contract at the 

joint  may  be  restrained,  resulting  in  joint  lockup.    Joint  lockup  has  been  attributed  to 

rotational misalignments of  the dowels  in  the past.   The  results of  this study  indicate  that 

other  factors may have a greater effect on  joint opening behavior.    It was  found  from  the 

laboratory  testing  that  lack  of  proper  greasing  significantly  increased  the  dowel  pullout 

force.    It was also observed  from the  laboratory testing that properly greased dowels with 

rotational misalignment exhibited similar pullout forces when compared to aligned dowels.  

Finite element modeling  identified dowel‐concrete  friction as a very  important parameter 

that  controls  the  joint  behavior.    High  friction  may  cause  damage  in  concrete  causing 

distresses like joint spalling and cracking near joints, which has been traditionally attributed 

to rotational misalignment of the dowel.   This suggests the  importance of ensuring proper 

bond breaking between dowel and concrete.