Autor: BOADA PARRA, Luis Gustavo
Título: Design of Asphalt Pavements for the Dynamic Charging of Electric Vehicles: An Experimental and Computational Approach
Fecha: 2026
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
Departamento: INGENIERIA DEL TRANSPORTE, TERRITORIO Y URBANISMO
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/95474/
Director/a(s):
- Director/a: GALLEGO MEDINA, Juan
Resumen: The growing demand for sustainable mobility has encouraged the development of Electrified Roads capable of dynamically charging Electric Vehicles (EVs) through Wireless Power Transfer (WPT) technology. However, embedding inductive coils within asphalt pavements introduces new mechanical, thermal, and electromagnetic challenges that compromise durability and efficiency. This doctoral research addresses these issues through an integrated experimental and computational approach to understand the coupled mechanicalelectromagnetic behavior of asphalt pavements incorporating Dynamic Wireless Power Transfer (DWPT) systems. The primary objective of this thesis is to design, characterize, and model asphalt pavements suitable for DWPT integration, balancing structural integrity with efficient inductive energy transfer. To achieve this, a comprehensive methodology was implemented that combined laboratory testing, material optimization, and advanced numerical modeling. The experimental phase involved the fabrication and evaluation of magnetite-modified bitumen and asphalt mixtures, investigating their volumetric, mechanical, and electromagnetic properties under different bitumen contents, filler substitutions, and environmental conditions. Adhesion and shear bond tests were conducted to analyze the interface performance between the pavement and the Charging Unit (CU) housings. On the computational side, a hierarchical modeling framework was developed, ranging from mechanisticempirical multilayer analyses in accordance with Spanish Standard 6.1-IC to advanced Finite Element (FEM) simulations that incorporate coil geometry, viscoelastic behavior, and interface mechanics. The results demonstrated that substituting calcium carbonate filler with magnetite significantly enhanced the density, stiffness, and magnetic permeability of asphalt mixtures, reducing air voids by an average of 0.76 percentage points (18% relative reduction) and improving inductive coupling efficiency by 812%. The mixture containing 4.6% bitumen and 50% magnetite achieved the most balanced performance, combining high mechanical resistance with measurable electromagnetic gains. Adhesion analyses revealed that polyurethane and epoxy adhesives provided superior shear strength and durability compared to bituminous emulsions, ensuring stable bonding between the CU housing and the surrounding pavement layers. FEM simulations confirmed that coil embedment at 9 cm depth does not compromise the structural response under heavy traffic conditions, while viscoelastic and fatigue analyses validated the long-term feasibility of integrating DWPT systems within standard pavement typologies (T00T2, E1E3). Finally, the full-scale CARDHIN pilot section in Madrid provided real-world validation of the developed methodology. Field deflection measurements, material sampling, and structural modeling confirmed the robustness of the design and the compatibility between the DWPT infrastructure and the asphalt layers. This thesis contributes a scientific and methodological framework for the structural and material design of electrified pavements, integrating laboratory evidence with predictive modeling tools. The findings offer practical design criteria and performance-based recommendations for future road infrastructures incorporating inductive charging systems, paving the way for sustainable, resilient, and energy-efficient transport networks. RESUMEN La creciente demanda de una movilidad sostenible ha impulsado el desarrollo de carreteras electrificadas capaces de cargar dinámicamente a los vehículos eléctricos (EV) mediante tecnología de transferencia inalámbrica de energía (WPT). Sin embargo, la inserción de bobinas inductivas dentro del pavimento introduce nuevos desafíos mecánicos, térmicos y electromagnéticos que pueden comprometer la durabilidad y la eficiencia del sistema. Esta investigación doctoral aborda dichos retos mediante un enfoque integrado, experimental y computacional, orientado a comprender el comportamiento mecánicoelectromagnético acoplado de pavimentos asfálticos que incorporan sistemas de recarga inalámbrica dinámica (DWPT). El objetivo principal de esta tesis es diseñar, caracterizar y modelar pavimentos asfálticos aptos para la integración de DWPT, equilibrando la integridad estructural con una transferencia inductiva de energía eficiente. Para ello se implementó una metodología integral que combina ensayos de laboratorio, optimización de materiales y modelación numérica avanzada. La fase experimental incluyó la fabricación y evaluación de bitúmenes y mezclas asfálticas modificadas con magnetita, analizando sus propiedades volumétricas, mecánicas y electromagnéticas bajo distintos contenidos de betún, sustituciones de filler y condiciones ambientales. Se realizaron ensayos de adherencia y resistencia al esfuerzo cortante para caracterizar el desempeño de la interfaz entre el pavimento y las carcasas de las Unidades de Carga (CU). En paralelo, se desarrolló un marco de modelación jerárquico que abarcó desde análisis mecanicistaempíricos multicapa conforme a la Norma Española 6.1-IC, hasta simulaciones avanzadas mediante el Método de Elementos Finitos (FEM) que incorporan la geometría de la bobina, el comportamiento viscoelástico y la mecánica de la interfaz. Los resultados evidenciaron que la sustitución del filler de carbonato cálcico por magnetita mejoró significativamente la densidad, la rigidez y la permeabilidad magnética de las mezclas asfálticas, reduciendo los huecos de aire en un promedio de 0,76 puntos porcentuales (18% de reducción relativa) y aumentando la eficiencia del acoplamiento inductivo en un 812%. La mezcla con 4,6% de betún y 50% de magnetita presentó el desempeño más equilibrado, combinando elevada resistencia mecánica con mejoras electromagnéticas cuantificables. Los análisis de adherencia mostraron que los adhesivos de poliuretano y epoxi proporcionan mayor resistencia al corte y durabilidad que las emulsiones bituminosas, garantizando una unión estable entre la carcasa de la CU y las capas circundantes del pavimento. Las simulaciones FEM confirmaron que la inserción de la bobina a 9 cm de profundidad no compromete la respuesta estructural bajo tráfico pesado, mientras que los análisis viscoelásticos y de fatiga validaron la viabilidad a largo plazo de integrar sistemas DWPT en tipologías de firme convencionales (T00T2, E1E3). Finalmente, el tramo piloto CARDHIN en Madrid permitió validar en condiciones reales la metodología desarrollada. Las mediciones de deflexión in situ, el muestreo de materiales y el modelado estructural confirmaron la robustez del diseño y la compatibilidad entre la infraestructura DWPT y las capas asfálticas. Esta tesis aporta un marco científico y metodológico para el diseño estructural y de materiales de pavimentos electrificados, integrando evidencia experimental con herramientas predictivas de modelación. Los resultados ofrecen criterios de diseño y recomendaciones basadas en desempeño para futuras infraestructuras viarias con sistemas de recarga inductiva, abriendo el camino hacia redes de transporte más sostenibles, resilientes y energéticamente eficientes.