A infraestrutura de transportes traz benefícios sociais e econômicos, porém traz também inevitáveis impactos ambientais que não podem ser negligenciados, como supressão da vegetação local e poluição atmosférica. Esses impactos ambientais podem ser quantificados e analisados pela técnica Avaliação do Ciclo de Vida (ACV), que cria a possibilidade de contemplar o aspecto ambiental na tomada de decisões e pode trazer melhor compreensão da cadeia produtiva. Na última década, é crescente a utilização dessa técnica na área de pavimentação, entretanto ainda é pouco usual no Brasil. O objetivo dessa dissertação é avaliar os impactos ambientais produzidos por duas técnicas de restauração de pavimentos asfálticos, comparando-se os resultados de ACV que observaram as fases de produção de materiais e de transportes. Dois cenários de restauração foram estudados, o primeiro considerou uma mistura asfáltica composta exclusivamente por materiais virgens (restauração convencional), e o segundo, considerou uma mistura asfáltica composta por 35% de Reciclado de Pavimento Asfáltico (RPA). As ACV foram procedidas de três maneiras distintas: (a) com o banco de dados e software alemão GaBi e o método EDIP 1997, (b) com o banco de dados da USLCI e pelo método do EDIP 1997, e (c) com software PavementLCA e o método TRACI. Os resultados obtidos a partir dos três diferentes procedimentos indicaram que a restauração com RPA apresentou redução dos impactos ambientais potencias quando comparada com a restauração convencional. Observou-se também que, para a maioria das análises, a atividade que mais contribuiu para os impactos das duas estratégias de restauração foi a de produção dos materiais. A análise de sensibilidade dos resultados obtidos com o GaBi e com o USLCI mostrou diferenças consideráveis, causadas pelas diferentes fontes de dados. Apesar de ser uma técnica em crescimento, a ACV ainda apresenta limitações quando aplicada a pavimentos, sobretudo, pela complexidade de seu ciclo de vida e pelas incertezas que envolvem sua elaboração, assim, estudos sobre ACV devem continuar, a fim de padronizar a técnica para a área e, com o tempo, obter resultados cada vez mais precisos. / Transportation infrastructure brings social and economic benefits, but it also brings unavoidable environmental impacts that can not be neglected, such as suppression of local vegetation and air pollution. These environmental impacts can be quantified and analyzed by the Life Cycle Assessment (LCA) technique, which creates the possibility of contemplating the environmental aspect in decision making and can provide a better understanding of the production chain. In the last decade, the use of this technique in the area of pavement is increasing, although not very usual in Brazil. The goal of this thesis is to analyze the environmental impacts produced by two asphalt pavement rehabilitation techniques, comparing the LCA results of material production and transportation phases. Two rehabilitation scenarios were studied, the first one considering an asphalt mixture composed exclusively by raw materials (conventional rehabilitation), and the second one considered an asphalt mixture composed by 35% of Reclaimed Asphalt Pavement (RAP). The LCA was done in three different ways: (a) with the German database and software GaBi and the EDIP 1997 method, (b) with the USLCI database and the EDIP 1997 method, and (c) with PavementLCA software and the TRACI method. The results obtained from the three different procedures indicated that the rehabilitation with RPA showed reduction of the potential environmental impacts when compared with the conventional rehabilitation. It was also observed that for the majority of the analysis, the activity that contributed the most to the impacts of the two rehabilitation strategies was the material production one. The sensitivity analysis of the results obtained with GaBi and with USLCI showed considerable differences in their values, caused by the different data sources. Although it is a growing technique, LCA still presents limitations when applied to pavements, mainly due to the complexity of its life cycle and the uncertainties involved in its elaboration, so studies about LCA should continue with the aim of standardizing the technique for the area and, over time, achieve increasingly more accurate results.

A infraestrutura de transportes traz benefícios sociais e econômicos, porém traz também inevitáveis impactos ambientais que não podem ser negligenciados, como supressão da vegetação local e poluição atmosférica. Esses impactos ambientais podem ser quantificados e analisados pela técnica Avaliação do Ciclo de Vida (ACV), que cria a possibilidade de contemplar o aspecto ambiental na tomada de decisões e pode trazer melhor compreensão da cadeia produtiva. Na última década, é crescente a utilização dessa técnica na área de pavimentação, entretanto ainda é pouco usual no Brasil. O objetivo dessa dissertação é avaliar os impactos ambientais produzidos por duas técnicas de restauração de pavimentos asfálticos, comparando-se os resultados de ACV que observaram as fases de produção de materiais e de transportes. Dois cenários de restauração foram estudados, o primeiro considerou uma mistura asfáltica composta exclusivamente por materiais virgens (restauração convencional), e o segundo, considerou uma mistura asfáltica composta por 35% de Reciclado de Pavimento Asfáltico (RPA). As ACV foram procedidas de três maneiras distintas: (a) com o banco de dados e software alemão GaBi e o método EDIP 1997, (b) com o banco de dados da USLCI e pelo método do EDIP 1997, e (c) com software PavementLCA e o método TRACI. Os resultados obtidos a partir dos três diferentes procedimentos indicaram que a restauração com RPA apresentou redução dos impactos ambientais potencias quando comparada com a restauração convencional. Observou-se também que, para a maioria das análises, a atividade que mais contribuiu para os impactos das duas estratégias de restauração foi a de produção dos materiais. A análise de sensibilidade dos resultados obtidos com o GaBi e com o USLCI mostrou diferenças consideráveis, causadas pelas diferentes fontes de dados. Apesar de ser uma técnica em crescimento, a ACV ainda apresenta limitações quando aplicada a pavimentos, sobretudo, pela complexidade de seu ciclo de vida e pelas incertezas que envolvem sua elaboração, assim, estudos sobre ACV devem continuar, a fim de padronizar a técnica para a área e, com o tempo, obter resultados cada vez mais precisos. / Transportation infrastructure brings social and economic benefits, but it also brings unavoidable environmental impacts that can not be neglected, such as suppression of local vegetation and air pollution. These environmental impacts can be quantified and analyzed by the Life Cycle Assessment (LCA) technique, which creates the possibility of contemplating the environmental aspect in decision making and can provide a better understanding of the production chain. In the last decade, the use of this technique in the area of pavement is increasing, although not very usual in Brazil. The goal of this thesis is to analyze the environmental impacts produced by two asphalt pavement rehabilitation techniques, comparing the LCA results of material production and transportation phases. Two rehabilitation scenarios were studied, the first one considering an asphalt mixture composed exclusively by raw materials (conventional rehabilitation), and the second one considered an asphalt mixture composed by 35% of Reclaimed Asphalt Pavement (RAP). The LCA was done in three different ways: (a) with the German database and software GaBi and the EDIP 1997 method, (b) with the USLCI database and the EDIP 1997 method, and (c) with PavementLCA software and the TRACI method. The results obtained from the three different procedures indicated that the rehabilitation with RPA showed reduction of the potential environmental impacts when compared with the conventional rehabilitation. It was also observed that for the majority of the analysis, the activity that contributed the most to the impacts of the two rehabilitation strategies was the material production one. The sensitivity analysis of the results obtained with GaBi and with USLCI showed considerable differences in their values, caused by the different data sources. Although it is a growing technique, LCA still presents limitations when applied to pavements, mainly due to the complexity of its life cycle and the uncertainties involved in its elaboration, so studies about LCA should continue with the aim of standardizing the technique for the area and, over time, achieve increasingly more accurate results.

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Doctor of Philosophy / Department of Civil Engineering / Mustaque Hossain / Hot in-place recycling (HIR) preserves distressed asphalt pavements while minimizing use of virgin binder and aggregates. The final quality of an HIR mixture depends on characteristics of the original binder, aging of the pavement surface during service, and whether or not new binder or rejuvenator was added to the mixture. An HIR mixture should maintain desired properties for additional service periods, making asphalt binder modification inevitable. Asphalt binder modifications in HIR are commonly done by adding an asphalt rejuvenating agent (ARA). However, ARA may adversely affect the qualities of new HIR and potentially fail to improve the quality of the final surface. The objective of this research was to investigate the effects of rejuvenation on HIR performance characteristics by assessing critical performance indicators such as stiffness, permanent deformation, moisture susceptibility, and cracking resistance. A two-step experimental program was designed that included mechanical property measurements of the HIR mixture and rheological properties of the extracted binder. The level of mixing occurring between new and aged binder with ARA was also investigated. HIR Samples were obtained from three Kansas Department of Transportation projects, and Hamburg wheel-tracking device, dynamic modulus, flow number, Texas overlay, thermal stress restrained specimen, and moisture susceptibility tests were conducted on mixtures with and without ARA. Rheological studies on the extracted binder included dynamic shear rheometer and bending beam rheometer tests. The miscibility of new and aged binder was investigated using scanning electron microscope (SEM) images, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDXS), and the exudation droplet test (EDT). Study results showed significant variability in the mechanical performance of HIR mixtures, which was attributed to the variability of binders as observed in EDT, SEM and EDXS studies. Life cycle cost analysis (LCCA) showed that HIR is an economic maintenance alternative for asphalt projects in Kansas. LCCA results exhibited that pavement design strategies with HIR activities will result in alternatives with lower net present values when compared to alternatives without HIR maintenance activities.

Segundo a Agência Nacional de Transportes Terrestres (ANTT) em seu Anuário Estatístico dos Transportes Terrestres AETT (2008), o Brasil em todo o seu território possui 211.678 quilômetros de rodovias pavimentadas. O valor de serventia do pavimento diminui com o passar do tempo por dois fatores principais: o tráfego e as intempéries (BERNUCCI et al., 2008). Monitorar a condição de uso de toda a extensão das rodovias brasileiras é tarefa dispendiosa e demorada. A investigação de novas técnicas que permitam o levantamento da condição dos pavimentos de forma ágil e automática é parte da pesquisa deste trabalho. Nos últimos anos, um número crescente de imagens de alta resolução espacial tem surgido no mercado mundial com o aparecimento dos novos satélites e sensores aeroembarcados de sensoriamento remoto. Da mesma forma, imagens multiespectrais e até mesmo hiperespectrais estão sendo disponibilizadas comercialmente e para pesquisa científica. Neste trabalho são utilizadas imagens hiperespectrais de sensor digital aeroembarcado. Uma metodologia para identificação automática dos pavimentos asfaltados e classificação das principais ocorrências dos defeitos do asfalto foi desenvolvida. A primeira etapa da metodologia é a identificação do asfalto na imagem, utilizando uma classificação híbrida baseada inicialmente em pixel e depois refinada por objetos foi possível a extração da informação de asfalto das imagens disponíveis. A segunda etapa da metodologia é a identificação e classificação das ocorrências dos principais defeitos nos pavimentos flexíveis que são observáveis nas imagens de alta resolução espacial. Esta etapa faz uso intensivo das novas técnicas de classificação de imagens baseadas em objetos. O resultado final é a geração de índices da condição do pavimento, a partir das imagens, que possam ser comparados com os indicadores da qualidade da superfície do pavimento já normatizados pelos órgãos competentes no país. / According to Statistical Survey of Land Transportation AETT (2008) of National Agency of Land Transportation (ANTT), Brazil has in its territory 211,678 kilometers of paved roads. The pavement Present Serviceability Ratio (PSR) value decreases over time by two main factors: traffic and weather (BERNUCCI et al., 2008). Monitor the condition of use of all Brazilian roads is expensive and time consuming task. The investigation of new techniques that allow a quick and automatic survey of pavement condition is part of this research. In recent years, an increasing number of images with high spatial resolution has emerged on the world market with the advent of new remote sensing satellites and airborne sensors. Similarly, multispectral and even hyperspectral imagery are become available commercially and for scientific research nowadays. Hyperspectral images from digital airborne sensor have been used in this work. A new methodology for automatic identification of asphalted pavement and also for classification of the main defects of the asphalt has been developed. The first step of the methodology is the identification of the asphalt in the image, using hybrid classification based on pixel initially and after improved by objects. Using this approach was feasible to extract asphalt information from the available images. The second step of the methodology is the identification and classification of the main defects of flexible pavement surface that are observable in high spatial resolution imagery. This step makes intensive use of new techniques for classification of images based on objects. The goal, is the generation of pavement surface condition index from the images that can be compared with quality index of pavement surface that are already regulated by the regulatory agency in the country.

Desde a implantação das primeiras obras, há indicações de que seus construtores já apresentavam conhecimentos acerca da influência da drenagem no desempenho dos pavimentos. Muitos países, onde os custos rodoviários são avaliados criteriosamente ao longo de toda a vida de serviço do pavimento, vêm desenvolvendo pesquisas objetivando a consideração dos efeitos prejudiciais da água em excesso no interior de sua estrutura. Métodos consagrados como, por exemplo, o da AASHTO, já consideram a influência da eficiência do sistema de drenagem no dimensionamento das estruturas de pavimentos. Neste trabalho, são apresentados um breve histórico e uma análise dos métodos de dimensionamento nacionais e estrangeiros, com vistas às considerações da influência do sistema de drenagem e da variação sazonal do teor de umidade no desempenho estrutural dos pavimentos. Fazendo-se uso do Falling Weight Defectometer, foi realizado levantamento deflectométrico em trecho experimental, com extensão aproximada de 900 m, direcionado para a avaliação da variação dos módulos resilientes das camadas e do comportamento estrutural diante da infiltração d\'água pela borda do pavimento. A partir dos dados obtidos no segmento experimental, pôde-se avaliar a magnitude desses parâmetros e assim efetuar, através de modelos analíticos que expressam os métodos de dimensionamento vigentes no país, a estimativa de redução da vida útil do pavimento analisado. Finalmente, propõe-se a introdução de um parâmetro de ajuste da espessura, denominado Fator de Ajuste de Drenagem, para consideração das condições adversas de drenagem no procedimento de dimensionamento de estruturas de pavimentos flexíveis preconizado pelo DNER. / Since the implementation of the first roads, there are indications that constructors already had knowledge concerning drainage influence in the pavement performance. Many countries, where highway administration costs are criteriously available along pavement lifetime, have been developing researches regarding considerations about harmful effects from excessive water in the pavement structure. Renowned methods such as AASHTO, already consider the influence of drainage system efficiency in the pavement structures design. In this work, brief historic and an analysis about national and foreign design methods are presented, taking into account considerations concerning influence of drainage system and seasonal variations of moisture content in the structural pavement performance. Employing the Falling Weight Deflectometer, deflection measurements were carried out in a test section, about 900 m long, in order to evaluate the resilient modulus layers and the structural behavior variations due to water infiltration from pavement edge. From experimental sections data obtained, it was possible to evaluate the magnitude of these parameters and then realize, through analytical models that represent the actual national design methods, the reduction estimate of evaluated pavement lifetime. Finally, this work propose the introduction of a thickness adjustment parameter, called Drainage Adjustment Factor, to consider the adverse drainage conditions in the flexible pavement structure design procedure advocated by DNER.

The asphalt mixtures are commonly used as surface course of highways to ensure the security and comfort for road users. The asphalt mixtures may also be used as intermediate layers of pavement structure, providing better resistance to traffic loads. Thus, the occurrence of distresses can be reduced, increasing the time between pavement maintenance interventions. Large Stone Asphalt Mixtures (LSAM) are a promising rehabilitation solution for pavements that show rutting as the main distress under heavy traffic situations. Though their use is not new, the study of their viscoelastic properties and performance in the field are still unexplored. This thesis presents a brief literature review about the historical use of LSAM around the world, as well as some relevant characteristics for its design. The evaluation of different mixture design methods was performed before the construction of experimental test site with LSAM as the leveling course. The asphalt mixtures mechanical behavior was characterized using dynamic modulus test, flexural bending fatigue test, tension-compression fatigue test and the LCPC wheel track test. The rehabilitated pavement was monitored through a period of one year and a half, using the falling weight deflectometer and rutting measurements. A finite-layer software (3D-Move Analysis) was used to simulate the structures using dynamic analysis, under different temperatures and traffic speeds, considering the viscoelastic properties of the asphalt mixtures obtained in laboratory. The results from the computer simulations can be used as a guide for the design and analysis of the pavement structure and pavement performance. Thus far, the use of LSAM in the rehabilitated test sections was successful compared to the previous rehabilitation solutions tested in the field, showing no permanent deformation after one year of service life. / O concreto asfáltico é comumente utilizado no Brasil como camada de rolamento em rodovias para garantir a segurança e o conforto dos usuários da via. No entanto, misturas asfálticas também são utilizadas como camadas intermediárias na estrutura do pavimento, atribuindo maior resistência às solicitações do tráfego. Assim, a ocorrência de defeitos pode ser reduzida, aumentando o intervalo entre as intervenções de manutenção do pavimento. Large Stone Asphalt Mixture (LSAM) é uma solução promissora para restauração de pavimentos asfálticos sob tráfego pesado que apresentem, como principal defeito, a deformação permanente em trilha de roda. Embora a sua utilização não seja recente, o estudo das propriedades viscoelásticas e do seu comportamento em campo ainda é pouco explorado. Esta dissertação apresenta uma breve revisão da literatura quanto ao histórico de uso das misturas LSAM ao redor do mundo, assim como características relevantes para a dosagem das mesmas. A avaliação de diferentes métodos de dosagem foi necessária antes da construção de um trecho experimental com a aplicação da LSAM como camada de ligação, onde tal mistura foi caracterizada mecanicamente por meio do ensaio de módulo dinâmico, ensaio de fadiga a flexão em quatro pontos, ensaio de fadiga a tração direta e ensaio de deformação permanente no simulador de tráfego francês LCPC. O pavimento restaurado foi monitorado por um período de um ano e meio com ensaios de \"Falling Weight Deflectometer\" e de afundamento de trilha de roda. As respostas do pavimento submetido a cargas dinâmicas foram analisadas por meio de um software que utiliza o método de camadas finitas (3D-Move), considerando as camadas asfálticas com comportamento viscoelástico linear sob diferentes velocidades de tráfego e temperaturas de análise. Os resultados poderão ser usados como referência para o dimensionamento e a análise das estruturas de pavimento compostas por camada de LSAM e para a avaliação do desempenho do mesmo. O uso da LSAM na restauração das seções experimentais foi bem sucedido quando comparado às restaurações realizadas anteriormente com outras soluções, não apresentando deformação permanente após mais de um ano de vida de serviço.

"Asphalt pavements are made up of several layers of materials and different types of materials are being used as base courses in these pavements. The properties of these pavement layers are affected significantly by temperature, and all of the layers are made up of heterogeneous mixtures of a wide variety of materials whose thermal properties are not readily available. Therefore, laboratory experiments were carried out with samples of pavements with different base course materials to determine temperature profiles along the depth, and finite element analysis was used to backcalculate thermal properties of the materials in the different layers of the different samples. The concept of extracting heat energy from asphalt pavements was evaluated by finite element modelling and testing small and large scale asphalt pavement samples. Water flowing through copper tubes inserted within asphalt pavements samples were used as heat exchangers in the experiments. The rise in temperature of water as a result of flow through the asphalt pavement was used as the indicator of efficiency of heat capture. The results of small scale testing show that the use of aggregates with high conductivity can significantly enhance the efficiency of heat capture. The efficiency can also be improved by using a reflectivity reducing and absorptivity increasing top layer over the pavement. Tests carried out with large scale slabs show that a larger surface area results in a higher amount of heat capture, and that the depth of heat exchanger is critical Heat-Islands are formed as a result of construction that replaces vegetation with absorptive surfaces (asphalt pavement). One suggested method to reduce the emitted heat from asphalt pavement surfaces is to reduce the temperature of the surface by flowing a suitable fluid through the pavement. Laboratory experiments were carried out using hand-compacted hot mix asphalt samples with quartzite and metagranodiorite aggregates. Pipes with different surface area were used to flow water through the samples, and the processes were modeled using finite element method. The results clearly show the feasibility of the proposed method, and indicate the beneficial effects of higher thermal conductivity of aggregates and larger surface area of pipes. "

This study was carried out to evaluate the use of heated reclaimed asphalt pavement materials with emulsion and the use of hot mix asphalt with wax (Sasobit) as base course materials. Mixes with lower than optimum and optimum emulsion, as well as with heated reclaimed asphalt pavement material and optimum emulsion were made; also, mixes with conventional asphalt binder and those with asphalt binder and Sasobit were produced at relatively lower temperatures. These mixes were tested for workability, and all but one of the mixes were used for preparation of approximately 0.9 m (35 inches) by 0.9 m (35 inches) 0.125 m (5 inches) slabs. The rates of densification during the compaction of these slabs were compared. Samples cored from the slabs were tested for stiffness, and dry retained tensile strengths. The results showed that heating of reclaimed asphalt pavement material can improve the dispersion as well as densification significantly. The use of asphalt binder was found to be beneficial in improving strength and stiffness, and the use of Sasobit helped to achieve almost similar workabilities and compactabilities at lower temperatures, as compared to those of hot mix asphalt with neat asphalt binder. No significant difference was found between the modulus of the Sasobit and hot mix asphalt samples. The dispersion of asphalt binder seemed to improve with the use of Sasobit at lower mixing temperature. A field project is recommended for evaluating performance of emulsion mixes with heated reclaimed asphalt pavements and asphalt binder mixes with Sasobit.

Este trabalho apresenta um estudo focado na implementação de metas de manutenção funcional de pavimentos flexíveis aeroportuários de pistas de pouso e decolagem. Os aeroportos além de terem que desempenhar sua função conforme especificado pela Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC), devem também preservar os pavimentos existentes em boas condições e promover segurança e conforto ao usuário. Ainda que haja critérios para definição de estratégias de manutenção dos pavimentos para as pistas de pouso e decolagem em outros países, é recomendado para o caso de aeroportos no Brasil a consideração de outros parâmetros relacionados a patologias e bacias transversais na superfície do pavimento. O objetivo desse trabalho é propor metas para uma manutenção efetiva para avaliação funcional de pavimentos aeroportuários flexíveis e com esse intuito, foram feitos levantamentos bibliográficos referentes a avaliação funcional, principais patologias encontradas em pavimentos flexíveis, avaliação de segurança em pavimentos aeroportuários, levantamento do índice de irregularidade internacional (IRI), principais índices de avaliação funcional e sistemas de gerenciamento de pavimentos utilizados no Brasil e em alguns países, e um estudo de caso para definição de parâmetros importantes adaptados à realidade brasileira para a criação de metas de manutenção. Para o estudo de campo foram realizados levantamentos nas pistas de pouso e decolagem de quatro aeroportos regionais no Estado de São Paulo. Os levantamentos realizados foram defeitos/patologias existentes na pista, irregularidade longitudinal e bacias transversais da pista. Para o levantamento da irregularidade longitudinal e bacias transversais na pista foi utilizado o equipamento Planógrafo AX 02, enquanto os defeitos foram levantados de acordo com a regulamentação americana do FAA (Federal Aviation Administration) para determinação do PCI (Pavement Condition Index) de acordo com o procedimento da norma ASTM D5340 (2012). / This paper presents a study focused on the implementation of functional maintenance targets for airport runway flexible pavement. Airports besides performing its function specified by the Brazilian National Civil Aviation Agency (ANAC), should also preserve existing pavements in good condition and promote safety and comfort to the passenger. Although there are already criteria to define pavement maintenance strategies for runways in other countries, it is recommended for the Brazilian airports to consider other parameters related to pathologies and transversal basins on the pavement surface. This research consists on establishing an effective maintenance for functional evaluation of flexible runway pavement. Once established the purpose a literature review aiming to study the functional evaluation in flexible pavements was performed. The references also include main distresses found in asphalt pavements, safety evaluation on runway pavements, the International Roughness Index (IRI), the main functional evaluation indexes and Airport Pavement Management Systems in Brazil and in worldwide, and a case study to define important maintenance parameters adapted to Brazilian runways. The survey in loco was carried out to collect information about the runway state of four regional airports. This inspection detected irregularities along the runway and failure in the cross-section profile by the Planograph AX 02 equipament, and also revealed pavement defects pathologies according to the Federal Aviation Administration (FAA) regulations to determine the Pavement Condition Index (PCI), ASTM D5340 (2012).