Foamed asphalt stabilized material as a high quality granular base incorporating high percentages of fine fractionated reclaimed asphalt material is investigated. A foamed asphalt mix is designed using a fabricated asphalt foaming device. The final specimens are tested for indirect tensile strength, indirect tensile resilient modulus, triaxial resilient modulus, triaxial repeated load permanent deformation, and unconfined compression. Results are compared to those with the same aggregate blends without stabilization for triaxial resilient modulus and repeated load permanent deformation. Stabilized materials are tested in soaked and unsoaked states to establish moisture susceptibility. Foam stabilization is found to significantly improve triaxial resilient modulus in all materials as well as permanent deformation resistance in materials with high RAP content. Soaking only marginally reduces triaxial resilient modulus and the effects are lesser in materials incorporating high RAP content. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Con la finalidad de lograr la estabilización de pavimentos, surgen nuevas tecnologías de agentes estabilizadores como el asfalto espumado y la emulsión asfáltica. En el Proyecto del corredor vial Dv-Humajalso-Desagüadero y Tacna-Capazo-Mazocruz, se tenía como solución técnica aplicar en el Tramo 7 Tarata-Capazo el asfalto espumado. Sin embargo, la condición termodinámica es fundamental para el asfalto espumado y esto se evidencia en el Tramo 7, donde a temperaturas de 5°C en descenso, las partículas de asfalto no se dispersan sobre el mástic, éstas caen sobre otras partículas de asfalto, provocando una aglomeración de asfalto en forma de chicles e imposibilitando la compactación de la capa del pavimento. Frente a esta problemática, se plantea estabilizar el material granular con emulsión asfáltica, donde las partículas de asfalto están dispersas en una solución acuosa a 25°C y no se requiere calentar al asfalto a elevadas temperaturas. El objetivo de la tesis es lograr la estabilización del pavimento utilizando emulsión asfáltica. Para el diseño de la mezcla asfáltica en frío, se utiliza la metodología Illinois y una emulsión catiónica de rotura lenta como ligante. Prosigue, el diseño del pavimento con la metodología AASHTO 93, para determinar los espesores de las capas del pavimento que satisfarán las cargas de tráfico para la vida útil del proyecto. Finalmente, se logra validar la estabilización del pavimento en campo con los controles de compactación y deflectometría, quedando demostrado la versatilidad de la emulsión como mezcla asfáltica en frío frente a las condiciones termodinámicas críticas del Proyecto. / In order to achieve the stabilization of pavements, emerge new technologies of stabilizing agents such as foamed bitumen and asphalt emulsion. In the Roadway Project Dv-Humajalso-Desagüadero and Tacna-Capazo-Mazocruz, the technical solution was to apply foamed bitumen in road Section 7 Tarata-Capazo. Thermodynamic condition is fundamental where foamed bitumen is evidenced in Section 7, the temperature is lower than 5 °C, so the asphalt don’t disperse on the Mastic, causing an agglomeration of asphalt in the form of chewing gum and making impossible the compaction of the pavement layer. In this problem, It’s proposed to stabilize the granular material with asphalt emulsion, so the asphalt particles are dispersed in a solution to 25°C. The technique is a mixture of cold asphalt and is feasible for the critical thermodynamic conditions of the Section 7 Tarata-Capazo. The objective is to achieve the stabilization of the pavement using asphalt emulsion. The design of the cold asphalt mix applies the Illinois Methodology to determine the optimum quantity of residual asphalt. So that, the design of the pavement is done with the methodology of AASHTO 93, which allows to determine the thicknesses of the pavement layers that will satisfy the serviceability and traffic for the useful life of the project. Finally, It´s possible to validate the stabilization of the pavement in the field with the compaction and deflectometry controls, demonstrating the versatility of the emulsion as a cold asphalt mixture against the critical thermodynamic conditions of the Project. / Tesis

A reciclagem profunda com espuma de asfalto tem sido uma alternativa de sucesso para a restauração de pavimentos degradados. Em relação às soluções tradicionais de reabilitação, como os recapeamentos, tem a vantagem de proporcionar a correção de defeitos em camadas inferiores, com a manutenção ou pequena elevação do greide da pista, além de ganhos ambientais, como um menor consumo de materiais virgens da natureza e redução do volume de material descartado. Entretanto, no Brasil não há método para dimensionamento estrutural para esta tecnologia, o que dificulta seu emprego. Para o desenvolvimento de um procedimento de dimensionamento que contemple este tipo de solução, foram estudados métodos presentes na bibliografia internacional: guia da AASHTO de 1993 e Caltrans, dos EUA, TRL386 e TRL611, da Inglaterra, as duas versões do guia sul-africano TG2 e os métodos oriundos do Austroads, tanto o procedimento interino de 2011 como adaptações de órgãos da Austrália e Nova Zelândia. Observou-se divergência de opiniões quanto ao comportamento do material reciclado com espuma de asfalto. Alguns órgãos e autores consideram o comportamento do mesmo mais próximo às misturas asfálticas, sendo o mecanismo de falha o trincamento, e outros o definem como semelhante a um material granular modificado com alta coesão e ruptura devido às deformações permanentes. Correlaciona-se tal associação ao teor de espuma usualmente utilizado nas obras rodoviárias. Outros aspectos que se destacam para este tipo de base são o ganho de resistência ao longo do tempo devido à cura, mesmo com início da operação da rodovia e a importância da infraestrutura remanescente no dimensionamento. Tais fatos foram corroborados pelos estudos de caso e resultados do trecho experimental construído na Rodovia Ayrton Senna - SP 070, monitorado por meio de ensaios deflectométricos com FWD durante um ano. Como resultado do trabalho, foi proposto um procedimento para o dimensionamento estrutural de pavimentos com camadas recicladas a frio com espuma de asfalto utilizando dados deflectométricos que atende o método do Manual de Pavimentação do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT) e incorpora diferentes aspectos na análise mecanicista. Outras conclusões são a viabilidade técnica a longo prazo da solução mencionada e a importância do controle tecnológico, com ênfase para o monitoramento deflectométrico nos primeiros meses de operação do pavimento para averiguar a evolução da cura do material. / Full-depth pavement reclamation with foamed asphalt has been a successful alternative for the rehabilitation of degraded pavements. In relation to the traditional rehabilitation methods, such as overlays, it has the advantage of provide the correction of the lower layer\'s defects considering the maintenance of the road grade or slight increase of it. Besides that, there are environmental gains, with less consumption for virgin materials and reduction of discarded material volume. However, in Brazil there is no structural design method for this technology, which hinders its use. To develop a design procedure which includes this kind of solution, several international methods were studied, like AASHTO (1993) and CALTRANS, from the USA; TRL386 and TRL611, from England; TG2 guide, from South Africa; and methods derived from the Austroads were studied, both, the interim procedure 2011 and local departments adaptations from Australia and New Zealand. There are divergent opinions of the behavior of the recycled material with foamed bitumen. Some agencies and authors consider the behavior of it similar to the asphalt mixtures, and the failure mechanism cracking due to fatigue. Others define it as similar to modified granular material with high cohesion and disruption due to permanent deformation. Such association is related to the foamed asphalt content usually used in road works. Other aspects that stand for such basecourse material are the gain of strength over time due to cure, even with the beginning of the highway operation and the importance of the remaining pavement\'s layers in design process. These facts were corroborated by case studies and results of the test section built in Ayrton Senna Highway - SP 070, which was monitored through falling weight deflectometer (FWD) measurements for a year. As result of this work, it is proposed a procedure for the structural design of cold recycled pavements with foamed asphalt using deflectometer data that meets the method of paving manual of the Brazilian National Department of Transport Infrastructure (DNIT). Other findings are the technical long-term viability of that solution and the importance of technological control, with emphasis on the deflection monitoring in early pavement operation to ascertain the evolution of the curing process.

A reciclagem profunda com espuma de asfalto tem sido uma alternativa de sucesso para a restauração de pavimentos degradados. Em relação às soluções tradicionais de reabilitação, como os recapeamentos, tem a vantagem de proporcionar a correção de defeitos em camadas inferiores, com a manutenção ou pequena elevação do greide da pista, além de ganhos ambientais, como um menor consumo de materiais virgens da natureza e redução do volume de material descartado. Entretanto, no Brasil não há método para dimensionamento estrutural para esta tecnologia, o que dificulta seu emprego. Para o desenvolvimento de um procedimento de dimensionamento que contemple este tipo de solução, foram estudados métodos presentes na bibliografia internacional: guia da AASHTO de 1993 e Caltrans, dos EUA, TRL386 e TRL611, da Inglaterra, as duas versões do guia sul-africano TG2 e os métodos oriundos do Austroads, tanto o procedimento interino de 2011 como adaptações de órgãos da Austrália e Nova Zelândia. Observou-se divergência de opiniões quanto ao comportamento do material reciclado com espuma de asfalto. Alguns órgãos e autores consideram o comportamento do mesmo mais próximo às misturas asfálticas, sendo o mecanismo de falha o trincamento, e outros o definem como semelhante a um material granular modificado com alta coesão e ruptura devido às deformações permanentes. Correlaciona-se tal associação ao teor de espuma usualmente utilizado nas obras rodoviárias. Outros aspectos que se destacam para este tipo de base são o ganho de resistência ao longo do tempo devido à cura, mesmo com início da operação da rodovia e a importância da infraestrutura remanescente no dimensionamento. Tais fatos foram corroborados pelos estudos de caso e resultados do trecho experimental construído na Rodovia Ayrton Senna - SP 070, monitorado por meio de ensaios deflectométricos com FWD durante um ano. Como resultado do trabalho, foi proposto um procedimento para o dimensionamento estrutural de pavimentos com camadas recicladas a frio com espuma de asfalto utilizando dados deflectométricos que atende o método do Manual de Pavimentação do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT) e incorpora diferentes aspectos na análise mecanicista. Outras conclusões são a viabilidade técnica a longo prazo da solução mencionada e a importância do controle tecnológico, com ênfase para o monitoramento deflectométrico nos primeiros meses de operação do pavimento para averiguar a evolução da cura do material. / Full-depth pavement reclamation with foamed asphalt has been a successful alternative for the rehabilitation of degraded pavements. In relation to the traditional rehabilitation methods, such as overlays, it has the advantage of provide the correction of the lower layer\'s defects considering the maintenance of the road grade or slight increase of it. Besides that, there are environmental gains, with less consumption for virgin materials and reduction of discarded material volume. However, in Brazil there is no structural design method for this technology, which hinders its use. To develop a design procedure which includes this kind of solution, several international methods were studied, like AASHTO (1993) and CALTRANS, from the USA; TRL386 and TRL611, from England; TG2 guide, from South Africa; and methods derived from the Austroads were studied, both, the interim procedure 2011 and local departments adaptations from Australia and New Zealand. There are divergent opinions of the behavior of the recycled material with foamed bitumen. Some agencies and authors consider the behavior of it similar to the asphalt mixtures, and the failure mechanism cracking due to fatigue. Others define it as similar to modified granular material with high cohesion and disruption due to permanent deformation. Such association is related to the foamed asphalt content usually used in road works. Other aspects that stand for such basecourse material are the gain of strength over time due to cure, even with the beginning of the highway operation and the importance of the remaining pavement\'s layers in design process. These facts were corroborated by case studies and results of the test section built in Ayrton Senna Highway - SP 070, which was monitored through falling weight deflectometer (FWD) measurements for a year. As result of this work, it is proposed a procedure for the structural design of cold recycled pavements with foamed asphalt using deflectometer data that meets the method of paving manual of the Brazilian National Department of Transport Infrastructure (DNIT). Other findings are the technical long-term viability of that solution and the importance of technological control, with emphasis on the deflection monitoring in early pavement operation to ascertain the evolution of the curing process.

Em busca de soluções estruturais para restauração de pavimentos rodoviários que que sejam eficientes, mas ao mesmo tempo que sejam econômicas e impactem o mínimo possível na dinâmica de operação da malha rodoviária, tem sido difundida a metodologia de reciclagem a frio de pavimentos com a estabilização com espuma de asfalto. A redução de custos devido a reutilização de material e a menor necessidade de transporte de insumos, além da possibilidade de realização da restauração em um curto espaço de tempo, têm contribuído para a crescente utilização do processo. Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho e o comportamento mecânico de uma mistura reciclada estabilizada com espuma asfalto, para melhor entender os efeitos do confinamento e do teor de umidade do material, visto que este passa por um processo de cura quando já em serviço. Foi acompanhado um trecho experimental onde o pavimento foi restaurado com a aplicação de uma base reciclada estabilizada com espuma de asfalto. O segmento foi monitorado através do controle tecnológico de execução e de levantamentos deflectométricos com FWD. Verificou-se que as deflexões após quase 24 meses da execução do trecho reduziram consideravelmente. Paralelamente, foram realizados ensaios de resistência à tração por compressão diametral, módulo de resiliência triaxial e de deformação permanente para diferentes procedimentos de cura para verificação do efeito da saída da água nas mudanças de comportamento mecânico do material. Verificou-se ainda o efeito das tensões de confinamento no módulo de resiliência de materiais estabilizados com espuma de asfalto e determinaram-se os parâmetros de cisalhamento do material através de ensaiosTriaxiais Monotônicos. Pode-se concluir que a cura é uma consideração importante tanto com relação a sua duração, quanto com relação ao seu efeito no comportamento do material. / Seeking for pavement rehabilitation solutions that result in efficient and capable structures, that bring economic advantages, and the smallest possible impact to the road network operation, cold recycling with foamed asphalt stabilization has been gaining acceptance and growing steadily. The possibility of economic benefits due to material reuse and the decrease in transportation costs, allied to the reduced time needed to open to traffic, have contributed to the increase in this technique\'s use. This study has the objective of evaluating the performance of cold recycled mixes stabilized with foamed asphalt, for a better understanding on the effects of confining stresses, and material moisture content, since it undergoes the curing process when in service. An experimental test section with foamed stabilized recycled material used as the base course was monitored through quality control and quality assurance and FWD tests. It was observed that deflections, after nearly 24 months, have decreased significantly. In laboratory, Indirect Tensile Strength, Triaxial Resilient Modulus, and Permanent Deformation Tests were conducted for samples cured through different procedures, to evaluate the stress dependency and the effect of moisture decrease on the material behaviour. As a complementing test to evaluate the effect of confinement on material mechanical behaviour and to characterize the shear properties in foamed stabilized materials, a Monotonic Triaxial Test was performed. Based on the results obtained, one can conclude that the curing is a critical consideration in terms of timing and its influence on pavement performance. Triaxial tests showed the stress dependency of this bitumen stabilized material, while permanent deformation results indicated some potential for damage in the early stages after construction. Also, foamed bitumen stabilized materials stress dependency indicate that its mechanical behaviour is similar to unbound granular materials. On the field evaluation, FWD data indicated the decrease in deflection with time, resulting in an increase of the layers stiffness.

Em busca de soluções estruturais para restauração de pavimentos rodoviários que que sejam eficientes, mas ao mesmo tempo que sejam econômicas e impactem o mínimo possível na dinâmica de operação da malha rodoviária, tem sido difundida a metodologia de reciclagem a frio de pavimentos com a estabilização com espuma de asfalto. A redução de custos devido a reutilização de material e a menor necessidade de transporte de insumos, além da possibilidade de realização da restauração em um curto espaço de tempo, têm contribuído para a crescente utilização do processo. Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho e o comportamento mecânico de uma mistura reciclada estabilizada com espuma asfalto, para melhor entender os efeitos do confinamento e do teor de umidade do material, visto que este passa por um processo de cura quando já em serviço. Foi acompanhado um trecho experimental onde o pavimento foi restaurado com a aplicação de uma base reciclada estabilizada com espuma de asfalto. O segmento foi monitorado através do controle tecnológico de execução e de levantamentos deflectométricos com FWD. Verificou-se que as deflexões após quase 24 meses da execução do trecho reduziram consideravelmente. Paralelamente, foram realizados ensaios de resistência à tração por compressão diametral, módulo de resiliência triaxial e de deformação permanente para diferentes procedimentos de cura para verificação do efeito da saída da água nas mudanças de comportamento mecânico do material. Verificou-se ainda o efeito das tensões de confinamento no módulo de resiliência de materiais estabilizados com espuma de asfalto e determinaram-se os parâmetros de cisalhamento do material através de ensaiosTriaxiais Monotônicos. Pode-se concluir que a cura é uma consideração importante tanto com relação a sua duração, quanto com relação ao seu efeito no comportamento do material. / Seeking for pavement rehabilitation solutions that result in efficient and capable structures, that bring economic advantages, and the smallest possible impact to the road network operation, cold recycling with foamed asphalt stabilization has been gaining acceptance and growing steadily. The possibility of economic benefits due to material reuse and the decrease in transportation costs, allied to the reduced time needed to open to traffic, have contributed to the increase in this technique\'s use. This study has the objective of evaluating the performance of cold recycled mixes stabilized with foamed asphalt, for a better understanding on the effects of confining stresses, and material moisture content, since it undergoes the curing process when in service. An experimental test section with foamed stabilized recycled material used as the base course was monitored through quality control and quality assurance and FWD tests. It was observed that deflections, after nearly 24 months, have decreased significantly. In laboratory, Indirect Tensile Strength, Triaxial Resilient Modulus, and Permanent Deformation Tests were conducted for samples cured through different procedures, to evaluate the stress dependency and the effect of moisture decrease on the material behaviour. As a complementing test to evaluate the effect of confinement on material mechanical behaviour and to characterize the shear properties in foamed stabilized materials, a Monotonic Triaxial Test was performed. Based on the results obtained, one can conclude that the curing is a critical consideration in terms of timing and its influence on pavement performance. Triaxial tests showed the stress dependency of this bitumen stabilized material, while permanent deformation results indicated some potential for damage in the early stages after construction. Also, foamed bitumen stabilized materials stress dependency indicate that its mechanical behaviour is similar to unbound granular materials. On the field evaluation, FWD data indicated the decrease in deflection with time, resulting in an increase of the layers stiffness.

En el desarrollo del presente trabajo, se plantea desde el punto de vista técnico económico la importancia de la interacción de las partículas finas presentes en el mastic para dos técnicas que se presentan como innovadoras en el mundo de reciclado (RAP) de carreteras, tratamiento de carpetas con asfalto espumado y tratamiento con emulsiones asfálticas. Esta investigación se llevó a cabo en el proyecto “Servicio de reciclado Huancayo – Yanango – puente Herrería tramo III. Conforme se avanza en la investigación, se analiza y sintetiza una extensa revisión de bibliografía sobre la aplicación de las técnicas de tratamiento de carpetas con asfalto espumado y emulsiones asfálticas, de cada una se explica su historia, uso, producción, diseño para su desarrollo. Posteriormente, se explica la metodología para tener la secuencia del proceso para ambas técnicas, identificar la población, el tamaño de la muestra y las variables. Se da pase a la descripción del proyecto, en donde se presenta su ubicación, las características esenciales, el estudio de tráfico y estudio de la condición antes del proyecto. Además, se estudia las muestras y el resultado de los ensayos de pavimentos donde se ven las calicatas, el triturado de RAP a dimensiones de suelo, cálculo del número estructural de acuerdo con la resistencia saturada, resultados técnicos con asfalto espumado, con emulsión asfáltica, discusión de la solución adoptada y comparación económica de ambas técnicas. Finalmente, las conclusiones y recomendaciones que se encontraron en la presente investigación. / In the development of this work, the importance of the interaction of the fine particles present in the mast for two techniques that are presented as innovative in the world of road recycling (RAP), treatment of folders with foamed asphalt and treatment with asphalt emulsions. This research was carried out in the project "Recycling service Huancayo - Yanango - Herrería bridge section III. As the research progresses, an extensive review of the literature on the application of folder treatment techniques with foamed asphalt and asphalt emulsions is analyzed and synthesized, each of which explains its history, use, production, and design for its development. Subsequently, the methodology is explained to have the process sequence for the techniques, to identify the population, the sample size, and the variables. The description of the project is given, where its location, the essential characteristics, the traffic study and the condition study before the project are presented. In addition, the samples and the results of the tests of pavements where the test pits are seen, the grinding of RAP to soil dimensions, calculation of the structural number according to saturated resistance, technical results with foamed asphalt, with asphalt emulsion, are studied. discussion of the adopted solution and economic comparison of both techniques. Finally, the conclusions and recommendations found in the present investigation. / Tesis