Call number: LD2668 .T4 1961 W65

Aggregate strength, gradation, and shape play a vital role in controlling asphalt mixture performance. Many studies have demonstrated the effects of these factors on asphalt mixture performance in terms of resistance to fatigue cracking and rutting. This study introduces numerical and analytical approaches supported with imaging techniques for studying the interrelated effects of aggregate strength, gradation, and shape on resistance of asphalt mixtures to fracture. The numerical approach relies on the discrete element method (DEM). The main advantage of this approach is the ability to account for the interaction between the internal structure distribution and aggregate properties in the analysis of asphalt mixture response and performance. The analytical approach combines aggregate strength variability and internal force distribution in an asphalt mixture to predict the probability of aggregate fracture. The numerical and analytical approaches were calibrated and verified using laboratory tests on various aggregate types and mixtures. Consequently these approaches were used to: (1) determine the resistance of various mixture types with different aggregate properties to fracture, (2) study the effects of aggregate strength variability on fracture, (3) quantify the influence of blending different types of aggregate on mixture strength, (4) develop a mathematical expression for calculating the probability of aggregate fracture within asphalt mixture, and (5) relate cracking patterns (cohesive: aggregate - aggregate and matrix - matrix, and adhesive: aggregate - matrix) in an asphalt mixture to internal structure distribution and aggregate properties. The results of this dissertation established numerical and analytical techniques that are useful for developing a virtual testing environment of asphalt mixtures. Such a virtual testing environment would be capable of relating the microscopic response of asphalt mixtures to the properties of the mixture constituents and internal structure distribution. The virtual testing environment would be an inexpensive mean to evaluate the influence of changing different material and design factors on the mixture response.

Aggregate strength, gradation, and shape play a vital role in controlling asphalt mixture performance. Many studies have demonstrated the effects of these factors on asphalt mixture performance in terms of resistance to fatigue cracking and rutting. This study introduces numerical and analytical approaches supported with imaging techniques for studying the interrelated effects of aggregate strength, gradation, and shape on resistance of asphalt mixtures to fracture. The numerical approach relies on the discrete element method (DEM). The main advantage of this approach is the ability to account for the interaction between the internal structure distribution and aggregate properties in the analysis of asphalt mixture response and performance. The analytical approach combines aggregate strength variability and internal force distribution in an asphalt mixture to predict the probability of aggregate fracture. The numerical and analytical approaches were calibrated and verified using laboratory tests on various aggregate types and mixtures. Consequently these approaches were used to: (1) determine the resistance of various mixture types with different aggregate properties to fracture, (2) study the effects of aggregate strength variability on fracture, (3) quantify the influence of blending different types of aggregate on mixture strength, (4) develop a mathematical expression for calculating the probability of aggregate fracture within asphalt mixture, and (5) relate cracking patterns (cohesive: aggregate - aggregate and matrix - matrix, and adhesive: aggregate - matrix) in an asphalt mixture to internal structure distribution and aggregate properties. The results of this dissertation established numerical and analytical techniques that are useful for developing a virtual testing environment of asphalt mixtures. Such a virtual testing environment would be capable of relating the microscopic response of asphalt mixtures to the properties of the mixture constituents and internal structure distribution. The virtual testing environment would be an inexpensive mean to evaluate the influence of changing different material and design factors on the mixture response.

Este trabalho apresenta os resultados alcançados em uma pesquisa experimental que objetivou estudar misturas asfálticas com módulos de resiliência elevados (EME), para emprego em camadas estruturais de pavimentos. As misturas EME são solução muito utilizada para pavimentos com elevado volume de tráfego, especialmente na França, por serem muito resistentes às deformações permanentes apresentando bom comportamento à fadiga. Foram caracterizados os ligantes asfálticos utilizados e as misturas projetadas. Para caracterização e verificação de desempenho, realizaram-se os ensaios da Metodologia Marshall, ensaios de resistência à tração, módulo de resiliência à compressão diâmetral, fadiga à tensão controlada, resistência ao dano por umidade induzida (Método Lottman Modificado), perda de massa por desgaste (Cântabro) e deformação permanente (creep dinâmico e simulador tipo LCPC). As misturas asfálticas projetadas apresentaram melhor desempenho mecânico em comparação com uma mistura de comparação formulada com ligante convencional (CAP 50/70). Foi construída uma pista experimental com o objetivo de verificar aspectos executivos e monitorar o desempenho da estrutura submetida a ensaios acelerados. Os danos causados pelas solicitações impostas pelo simulador de tráfego UFRGS-DAER/RS foram monitorados através de medidas de deflexões e afundamentos nas trilhas de roda e da inspeção visual para verificar a ocorrência de trincamento superficial. O carregamento aplicado superou os 200 mil ciclos, com cargas de eixo de 100 e 120 kN. O ATR médio observado no final do experimento totalizou 6 mm. Não foi observado trincamento na superfície do pavimento. A partir dos resultados obtidos é possível concluir que o emprego de misturas asfálticas de módulo elevado em camadas estruturais de pavimentos permitirá a construção de estruturas de melhor qualidade técnica, podendo contribuir para o aumento da vida útil das rodovias. / This work presents an experimental study that searched to study high modulus asphalt mixtures (EME) for structural layers of pavements. The EME is a well-known solution for high volume roads, especially in France, presenting better results in terms of rutting and fatigue cracking than conventional mixtures. Asphalt binders and designed mixtures were characterized. To evaluate the laboratorial mixes performance, Marshall Methodology, tensile strength, resilient modulus, fatigue (controlled stress mode), stripping (Modified Lottman test), weight loss (Cantabro Methodology) and permanent deformation (dynamic creep and LCPC simulator) were carried out. The results showed that the EME mixtures present better mechanical behavior than conventional asphalt mixture. An experimental section was built to verify the construction features and to monitor the progressive degradation produced by a linear traffic simulator. For the accompaniment of the degradation were monitored the pavement deflections, rutting and cracking. 200.000 load cycles were applied with axle loads of 100 and 120 kN.The rut depth in the end of experiment totalized 6 mm. Fatigue cracking was not observed in the pavement surface. The study results show that the use of EME mixtures in structural layers of pavements will allow the construction of structures with remarkably good technical quality, contributing to increase pavement life.

Este trabalho apresenta os resultados alcançados em uma pesquisa experimental que objetivou estudar misturas asfálticas com módulos de resiliência elevados (EME), para emprego em camadas estruturais de pavimentos. As misturas EME são solução muito utilizada para pavimentos com elevado volume de tráfego, especialmente na França, por serem muito resistentes às deformações permanentes apresentando bom comportamento à fadiga. Foram caracterizados os ligantes asfálticos utilizados e as misturas projetadas. Para caracterização e verificação de desempenho, realizaram-se os ensaios da Metodologia Marshall, ensaios de resistência à tração, módulo de resiliência à compressão diâmetral, fadiga à tensão controlada, resistência ao dano por umidade induzida (Método Lottman Modificado), perda de massa por desgaste (Cântabro) e deformação permanente (creep dinâmico e simulador tipo LCPC). As misturas asfálticas projetadas apresentaram melhor desempenho mecânico em comparação com uma mistura de comparação formulada com ligante convencional (CAP 50/70). Foi construída uma pista experimental com o objetivo de verificar aspectos executivos e monitorar o desempenho da estrutura submetida a ensaios acelerados. Os danos causados pelas solicitações impostas pelo simulador de tráfego UFRGS-DAER/RS foram monitorados através de medidas de deflexões e afundamentos nas trilhas de roda e da inspeção visual para verificar a ocorrência de trincamento superficial. O carregamento aplicado superou os 200 mil ciclos, com cargas de eixo de 100 e 120 kN. O ATR médio observado no final do experimento totalizou 6 mm. Não foi observado trincamento na superfície do pavimento. A partir dos resultados obtidos é possível concluir que o emprego de misturas asfálticas de módulo elevado em camadas estruturais de pavimentos permitirá a construção de estruturas de melhor qualidade técnica, podendo contribuir para o aumento da vida útil das rodovias. / This work presents an experimental study that searched to study high modulus asphalt mixtures (EME) for structural layers of pavements. The EME is a well-known solution for high volume roads, especially in France, presenting better results in terms of rutting and fatigue cracking than conventional mixtures. Asphalt binders and designed mixtures were characterized. To evaluate the laboratorial mixes performance, Marshall Methodology, tensile strength, resilient modulus, fatigue (controlled stress mode), stripping (Modified Lottman test), weight loss (Cantabro Methodology) and permanent deformation (dynamic creep and LCPC simulator) were carried out. The results showed that the EME mixtures present better mechanical behavior than conventional asphalt mixture. An experimental section was built to verify the construction features and to monitor the progressive degradation produced by a linear traffic simulator. For the accompaniment of the degradation were monitored the pavement deflections, rutting and cracking. 200.000 load cycles were applied with axle loads of 100 and 120 kN.The rut depth in the end of experiment totalized 6 mm. Fatigue cracking was not observed in the pavement surface. The study results show that the use of EME mixtures in structural layers of pavements will allow the construction of structures with remarkably good technical quality, contributing to increase pavement life.

Este trabalho apresenta os resultados alcançados em uma pesquisa experimental que objetivou estudar misturas asfálticas com módulos de resiliência elevados (EME), para emprego em camadas estruturais de pavimentos. As misturas EME são solução muito utilizada para pavimentos com elevado volume de tráfego, especialmente na França, por serem muito resistentes às deformações permanentes apresentando bom comportamento à fadiga. Foram caracterizados os ligantes asfálticos utilizados e as misturas projetadas. Para caracterização e verificação de desempenho, realizaram-se os ensaios da Metodologia Marshall, ensaios de resistência à tração, módulo de resiliência à compressão diâmetral, fadiga à tensão controlada, resistência ao dano por umidade induzida (Método Lottman Modificado), perda de massa por desgaste (Cântabro) e deformação permanente (creep dinâmico e simulador tipo LCPC). As misturas asfálticas projetadas apresentaram melhor desempenho mecânico em comparação com uma mistura de comparação formulada com ligante convencional (CAP 50/70). Foi construída uma pista experimental com o objetivo de verificar aspectos executivos e monitorar o desempenho da estrutura submetida a ensaios acelerados. Os danos causados pelas solicitações impostas pelo simulador de tráfego UFRGS-DAER/RS foram monitorados através de medidas de deflexões e afundamentos nas trilhas de roda e da inspeção visual para verificar a ocorrência de trincamento superficial. O carregamento aplicado superou os 200 mil ciclos, com cargas de eixo de 100 e 120 kN. O ATR médio observado no final do experimento totalizou 6 mm. Não foi observado trincamento na superfície do pavimento. A partir dos resultados obtidos é possível concluir que o emprego de misturas asfálticas de módulo elevado em camadas estruturais de pavimentos permitirá a construção de estruturas de melhor qualidade técnica, podendo contribuir para o aumento da vida útil das rodovias. / This work presents an experimental study that searched to study high modulus asphalt mixtures (EME) for structural layers of pavements. The EME is a well-known solution for high volume roads, especially in France, presenting better results in terms of rutting and fatigue cracking than conventional mixtures. Asphalt binders and designed mixtures were characterized. To evaluate the laboratorial mixes performance, Marshall Methodology, tensile strength, resilient modulus, fatigue (controlled stress mode), stripping (Modified Lottman test), weight loss (Cantabro Methodology) and permanent deformation (dynamic creep and LCPC simulator) were carried out. The results showed that the EME mixtures present better mechanical behavior than conventional asphalt mixture. An experimental section was built to verify the construction features and to monitor the progressive degradation produced by a linear traffic simulator. For the accompaniment of the degradation were monitored the pavement deflections, rutting and cracking. 200.000 load cycles were applied with axle loads of 100 and 120 kN.The rut depth in the end of experiment totalized 6 mm. Fatigue cracking was not observed in the pavement surface. The study results show that the use of EME mixtures in structural layers of pavements will allow the construction of structures with remarkably good technical quality, contributing to increase pavement life.

La finalidad de la investigación realizada en este documento es presentar el concreto reforzado con fibras de acero como alternativa de solución para la construcción de pavimento rígido. La necesidad de mejorar la calidad de los pavimentos rígidos frente a los problemas recurrentes de fisuración, optimizar costos, aumentar la calidad y optimizar los materiales para mejorar la sostenibilidad ambiental y social, impulsa el estudio e investigaciones sobre distintos aditivos que se agregan al concreto como también el tipo de refuerzo que lo complementa. Este documento se enfocará en realizar una propuesta de concretos reforzados con fibra de acero y cemento puzolánico para la construcción de pavimento rígido comparando las propiedades físicas y mecánicas de las mezclas y así obtener la mezcla más eficiente que cumpla las condiciones del expediente técnico para así realizar la aplicación en un tramo del proyecto de pavimentación en la provincia de Grau del departamento de Apurímac. / The purpose of the research carried out in this document is to present concrete reinforced with steel fibers as technical solution for the construction of concrete pavement an alternative solution for the construction of rigid pavement. In order to save costs per cubic meter per square meter of pavement and optimize raw material so increase quality and optimize materials to improve environmental and social sustainability, encourages the study and research on different chemical addition that are added to the concrete as well as the type of reinforcement that complements it. This document will focus on making a proposal of reinforced concrete with steel fiber and pozzolanic cement for the construction of rigid pavement by comparing the physical and mechanical properties of the mixtures and thus obtain the most efficient mixture that meets the conditions of the technical file in order to perform the application in a section of the paving project in the province of Grau of the department of Apurímac. / Tesis

Nos últimos anos tem havido uma crescente preocupação com o meio ambiente. Dentro deste contexto, surgiram as misturas asfálticas mornas que, devido à diminuição de temperatura na usinagem e na compactação, têm impacto positivo não só sobre a poluição ambiental, mas também sobre o consumo energético. Este estudo compara o comportamento de misturas asfálticas mornas (com aditivo surfactante) com o de misturas similares usinadas a quente (convencionais), por meio de ensaios laboratoriais de compactação, de propriedades mecânicas, além de testes complementares. Os resultados apontam que não há necessidade de alteração do método de dosagem convencional para as misturas mornas, e que o teor de ligante de projeto das misturas mornas deve ser mantido igual à da similar a quente. Porém, os resultados dependem muito do tipo de ligante, do teor de asfalto utilizado e do nível de diminuição da temperatura de usinagem e compactação. O controle da temperatura e a magnitude de sua redução demonstraram ser essenciais na qualidade final da mistura morna nesta tecnologia. Além disso, tem-se o acompanhamento de dois trechos experimentais, onde não foram verificadas dificuldades complementares de usinagem e de execução em pista. Os resultados de controle tecnológico da obra e de avaliação dos aspectos de superfície nos trechos com mistura morna se mostraram similares aos das técnicas a quente. Foram analisadas as emissões de poluentes (HPAs prioritários no material particulado) de misturas asfálticas mornas e a quente, tanto no programa laboratorial, quanto em usina e em pista, por ocasião da execução de um dos trechos experimentais. Os resultados indicaram que houve redução em cerca de três vezes do total destes poluentes com as misturas mornas. Visualmente também foi constatada uma diminuição expressiva dos fumos de asfalto com a mistura morna em campo. Por fim, estimou-se que há uma economia significativa do consumo de combustíveis com a redução da temperatura de secagem e aquecimento dos agregados em usina com as misturas mornas. Deste modo, o trabalho demonstra, pelas propriedades físicas e mecânicas avaliadas em laboratório e em campo, que a qualidade das misturas asfálticas mornas é similar às das usinadas a quente, com os benefícios da redução das emissões de poluentes e da economia de energia. / In the last years there has been an increasing concern for the environment. In this context, warm mixes asphalt was developed with positive impact not only on the environmental pollution, but also on the energy consumption, due to the reduction of mixing and compaction temperatures. This work compares the behavior of warm mixes asphalts (with surfactant additive) with similar hot mixes asphalt (conventional ones), through compaction and mechanical properties, as well as additional tests, in laboratory. The results indicate that it is not necessary to change the conventional asphalt mix design for warm mixes, and also that the optimum asphalt content in the warm mixes should be maintained similar to the hot mixes. However, the results are dependent on the asphalt type, the asphalt content, and the level of mixing and compaction temperature reduction. The temperature control and the magnitude of its reduction are essential for the final quality of the warm mix in this technology. Besides, two test tracks were monitored, where there were no additional difficulties during the mixing procedure and in the construction site. The results of the field control and the evaluation of the pavement surface in the warm mix test tracks were similar to the hot mix techniques. Pollutants emissions (priority PAH on the particulate matter) from warm and hot mixes asphalt mixes were analyzed, in the laboratory, in the mixing plant and in the field, during one of the test tracks construction. The results demonstrated that there was a reduction of about three times on the total amount of these pollutants with the warm mixes. Visually, it was also verified that there was a large reduction of asphalt fumes with the warm mix in the field. Finally, it was estimated that there are significant energy savings when reducing drying and heating temperatures of the aggregates in the mixing plant with warm mixes. Thus, this work shows, through the physical and mechanical properties evaluated in the laboratory and in the field, that the quality of warm mixes is similar to the hot mixes, with the benefits of reducing pollutant emissions and saving energy.

Nos últimos anos tem havido uma crescente preocupação com o meio ambiente. Dentro deste contexto, surgiram as misturas asfálticas mornas que, devido à diminuição de temperatura na usinagem e na compactação, têm impacto positivo não só sobre a poluição ambiental, mas também sobre o consumo energético. Este estudo compara o comportamento de misturas asfálticas mornas (com aditivo surfactante) com o de misturas similares usinadas a quente (convencionais), por meio de ensaios laboratoriais de compactação, de propriedades mecânicas, além de testes complementares. Os resultados apontam que não há necessidade de alteração do método de dosagem convencional para as misturas mornas, e que o teor de ligante de projeto das misturas mornas deve ser mantido igual à da similar a quente. Porém, os resultados dependem muito do tipo de ligante, do teor de asfalto utilizado e do nível de diminuição da temperatura de usinagem e compactação. O controle da temperatura e a magnitude de sua redução demonstraram ser essenciais na qualidade final da mistura morna nesta tecnologia. Além disso, tem-se o acompanhamento de dois trechos experimentais, onde não foram verificadas dificuldades complementares de usinagem e de execução em pista. Os resultados de controle tecnológico da obra e de avaliação dos aspectos de superfície nos trechos com mistura morna se mostraram similares aos das técnicas a quente. Foram analisadas as emissões de poluentes (HPAs prioritários no material particulado) de misturas asfálticas mornas e a quente, tanto no programa laboratorial, quanto em usina e em pista, por ocasião da execução de um dos trechos experimentais. Os resultados indicaram que houve redução em cerca de três vezes do total destes poluentes com as misturas mornas. Visualmente também foi constatada uma diminuição expressiva dos fumos de asfalto com a mistura morna em campo. Por fim, estimou-se que há uma economia significativa do consumo de combustíveis com a redução da temperatura de secagem e aquecimento dos agregados em usina com as misturas mornas. Deste modo, o trabalho demonstra, pelas propriedades físicas e mecânicas avaliadas em laboratório e em campo, que a qualidade das misturas asfálticas mornas é similar às das usinadas a quente, com os benefícios da redução das emissões de poluentes e da economia de energia. / In the last years there has been an increasing concern for the environment. In this context, warm mixes asphalt was developed with positive impact not only on the environmental pollution, but also on the energy consumption, due to the reduction of mixing and compaction temperatures. This work compares the behavior of warm mixes asphalts (with surfactant additive) with similar hot mixes asphalt (conventional ones), through compaction and mechanical properties, as well as additional tests, in laboratory. The results indicate that it is not necessary to change the conventional asphalt mix design for warm mixes, and also that the optimum asphalt content in the warm mixes should be maintained similar to the hot mixes. However, the results are dependent on the asphalt type, the asphalt content, and the level of mixing and compaction temperature reduction. The temperature control and the magnitude of its reduction are essential for the final quality of the warm mix in this technology. Besides, two test tracks were monitored, where there were no additional difficulties during the mixing procedure and in the construction site. The results of the field control and the evaluation of the pavement surface in the warm mix test tracks were similar to the hot mix techniques. Pollutants emissions (priority PAH on the particulate matter) from warm and hot mixes asphalt mixes were analyzed, in the laboratory, in the mixing plant and in the field, during one of the test tracks construction. The results demonstrated that there was a reduction of about three times on the total amount of these pollutants with the warm mixes. Visually, it was also verified that there was a large reduction of asphalt fumes with the warm mix in the field. Finally, it was estimated that there are significant energy savings when reducing drying and heating temperatures of the aggregates in the mixing plant with warm mixes. Thus, this work shows, through the physical and mechanical properties evaluated in the laboratory and in the field, that the quality of warm mixes is similar to the hot mixes, with the benefits of reducing pollutant emissions and saving energy.

Doctor of Philosophy / Department of Civil Engineering / Stefan A. Romanoschi / Permanent deformation (rutting) is the most critical load-associated distress that develops on asphalt pavements significantly affecting their performance. Past research work focused on estimating permanent deformation of asphalt mixes using empirical prediction models or prediction models based on linear elastic material models. In recent years, mechanistic and mechanistic-empirical prediction models have been developed to take into account the behavior of asphalt material (viscoelastic, viscoplastic or elasto-visco-plastic). This research project aims to evaluate existing mechanistic models that predict permanent deformation (rutting) in asphalt mixes by comparing computed permanent deformation to that measured in a full-scale accelerated pavement test. Six pavement sections were constructed in the Civil Infrastructure Systems Laboratory (CISL) of Kansas State University with six different asphalt mixes. The sections were loaded with up to 700,000 load repetitions of a 22,000lb single axle. The transverse profiles at the pavement surface were measured periodically. For material characterization, asphalt mix samples fabricated in the laboratory, were subjected to dynamic modulus (|E*|), static creep - flow time (Ft), dynamic creep - flow number (Fn), triaxial and uniaxial strength tests, repetitive shear at constant height (RSCH) and frequency sweep at constant height (FSCH). The finite element software, Abaqus, was used to simulate and evaluate four permanent deformation prediction models, which are: creep model, elasto-visco-plastic model, viscoelastic model and Drucker-Prager model. The predicted permanent deformation was then compared to permanent deformation measured in CISL for the six of asphalt pavement sections. It was found that, with some improvements, creep and elasto-visco-plastic models could be used to predict permanent deformation in asphalt mixes. The viscoelastic model greatly under-predict permanent deformation, and the Drucker-Prager model with hardening criteria over predicts permanent deformation as compared to values measured in CISL.