Asphalt binder modification is a common method of improving Hot-mix Asphalt (HMA) performance by enhancing mix properties and reducing or delaying three general HMA distress types: deformation (rutting and shoving), cracking (from repeated loads and low temperatures) and general deterioration (raveling and stripping). Since the early 1960’s, a common modified asphalt alternative has employed reclaimed rubber as an economical and environmental friendly method of recycling waste tires while improving asphalt physical and mechanical properties. Pavement network deterioration combined with increasing material costs makes polymer modification of asphalt binder desirable, with reclaimed rubber from waste tires being an attractive alternative which addresses performance, economics and environmental issues. The primary objective of this dissertation is to demonstrate the importance of proper processing of all types of modified bituminous binders, whether they be virgin (e.g. styrene-butadiene-styrene (SBS) or styrene-butadiene rubber (SBR)), post-consumer polymers (e.g. ground tire rubber (GTR)) or a combination (GTR plus SBS). To achieve this four secondary objectives were identified: 1) characterize GTR using thermo-gravimetric analysis (TGA), 2) improve processing of GTR modified binders, 3) improve testing and specifications of GTR modified binders and 4) evaluate mixes containing GTR modified binders. A simple efficient instrumental, TGA, method to analyze polymers in binary rubber compounds was developed to quantify the functional polymer content available in GTR. TGA analysis provides a better understanding of the general chemical characteristics of GTR used in modification of asphalt binders for production of asphalt paving mixtures. Results are presented from efforts to optimize GTR modified binder formulations with respect to how GTR loading, GTR particle size, processing temperature and asphalt cement source affect modified binder properties and ability to meet performance graded binder specifications. These results are the basis to establish recommended processing parameters for formulation and preparation of GTR modified asphalt binders. GTR modified binders were used in: dense graded asphalt (DGA), stone matrix asphalt (SMA) and open graded friction courses (OGFC) and compared to conventional asphalt cement and styrene-butadiene-styrene (SBS) modified asphalt binders. Mixture performance evaluation with respect to binder effectiveness as it relates to the three general HMA distress types.

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The design and construction of roads with longer service lives is a priority of civil engineers. The selection of appropriate highway materials with respect to climatic and loading conditions may significantly increase the lifespan of pavements. One material receiving interest in the area of improved roadway performance is polymer-modified binder. The complex behavior of polymer-modified binders, particularly over time, is not yet well-understood by engineers. Therefore, an experimental study was performed to determine the effects of four years of storage at room temperatures (23°C) on the dynamic mechanical properties of polymer-modified binders at intermediate and high temperatures. A typical paving grade (AC-20) and three elastomeric modifiers, each at three concentrations were used. Initial tests were performed in 1995 to evaluate the effects of short-term aging as simulated by the Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) procedure. This study encompasses a second phase of testing occurring after the modified binders were stored at ambient room temperature (23°C) for four years. The study found that significant changes affecting the dynamic response of binders occur during long term storage at a temperature of 23°C. These changes are dependent on the type and concentration of modifier and may be beneficial. Additionally, four mathematical models describing the dynamic response of binders were evaluated and found to be variable in their ability to accurately predict response of modified binders. Most of these models are not well suited for prediction of the response of stored binders. / Master of Science

Este trabalho apresenta alguns resultados de pesquisa laboratorial compreendendo projeto de dosagem, comportamento mecânico da mistura SMA (Stone Matrix Asphalt - Matriz Pétrea Asfáltica), bem como, aspectos executivos relacionados ao desenvolvimento de um trecho experimental em SMA para revestimento de pavimentos. Os resultados de laboratório obtidos mostram que o SMA é um revestimento asfáltico que pode apresentar bom desempenho sob cargas pesadas em climas quentes, pois estas misturas são muito resistentes à deformação permanente, mas preservam a flexibilidade como os concretos asfálticos densos. O SMA é uma solução bem conhecida para tráfego pesado na Europa e mais recentemente na América do Norte. O SMA também tem sido empregado para aumento de aderência em pista molhada e para redução de ruído. / This research presents laboratory test results of mixture design, mechanical behavior of SMA (Stone Matrix Asphalt), as well as some construction aspects regarding to development of Brazilian road trial section as a new bituminous surface course to pavement construction or maintenance.The laboratory results show that SMA can perform very well in hot climate under heavy load conditions due to the mixture to be very resistant against permanent deformation but still flexible like dense asphalt concrete. The SMA is a well Known solution for heavy traffic in Europe and, more recently, in North America. The SMA is also employed to increase the adherence in wet conditions and for noise reduction.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / O desenvolvimento de novas metodologias no campo da engenharia rodoviÃria tem sido uma preocupaÃÃo, visando à melhoria da qualidade das vias pavimentadas, tornando-as mais seguras e resistentes. Algumas inovaÃÃes introduzidas nesta Ãrea tem sido praticadas com a aplicaÃÃo de ligantes asfÃlticos (LAs) modificados, que tem demonstrado melhorar o desempenho destes, contribuindo para a reduÃÃo da formaÃÃo das trilhas de roda e das trincas tÃrmicas. Neste estudo, o ligante asfÃltico (LA) brasileiro oriundo do Campo Fazenda Alegre foi modificado por copolÃmero de etileno e acetato de vinila (EVA) virgem, resÃduo da indÃstria de calÃados (EVAR) e fibra de coco (FC). Aditivos, como o lÃquido da castanha de caju (LCC) e o Ãleo extensor (OE) foram utilizados para melhorar a compatibilidade da mistura. O polÃmero e os aditivos foram caracterizados atravÃs de espectroscopia no infravermelho, termogravimetria e calorimetria exploratÃria diferencial. A avaliaÃÃo dos espectros FTIR dos ligantes apÃs envelhecimento simulado em estufa RTFOT, mostraram que os ligantes modificados com EVAR e EVA/FC foram mais resistentes ao processo oxidativo, provavelmente, devido à presenÃa de aditivos, como o carbonato de cÃlcio, na composiÃÃo do resÃduo. As curvas termogravimÃtricas dos LAs modificados apresentaram comportamento semelhante ao ligante puro. As propriedades reolÃgicas tambÃm foram avaliadas atravÃs de ensaios em: viscosÃmetro e reÃmetro de cisalhamento dinÃmico (DSR). O envelhecimento, de maneira geral, provoca aumento da rigidez e da viscosidade, porÃm as curvas mestras indicaram que o efeito do envelhecimento à mais expressivo nas temperaturas intermediÃrias a altas, e aumentaram a elasticidade ao longo do espectro de frequÃncias. A viscosidade zero shear (ZSV) obtida pelos modelos de Cross e Williamson apresentou-se mais elevada do que o modelo de Carreau. AlÃm disso, as imagens obtidas no microscÃpio de forÃa atÃmica (MFA) mostraram que o polÃmero EVA intumesceu devido à absorÃÃo de fraÃÃo aromÃtica do ligante, rompendo a estabilidade coloidal. Assim sendo, a adiÃÃo do Ãleo extensor preveniu a separaÃÃo de fases. Para o ligante modificado com EVAR, a mistura apresentou boa estabilidade à estocagem somente apÃs adiÃÃo de Ãleo extensor. A presenÃa do LCC e OE mostrou melhorar a susceptibilidade tÃrmica dos ligantes modificados. / The development of new methodologies in the field of road engineering has been a concern, aimed to the improvement of the quality of paved roads making them safer and more durable. Some innovations introduced in this area have been practiced with the application of modified asphalt binder (AB), demonstrated to improve asphalt binder performance, contributing to the reduction of the formation of wheel tracks and of thermal cracking. In this study, the Brazilian asphalt binder from Fazenda Alegre oil reserve was modified by virgin ethylene vinyl acetate copolymer (EVA), residue of the industry of footwears (EVAR) and coir fiber (CF). Additives, such as the cashew nut shell liquid (CNSL) and extensor oil (EO) were used to improve the compatibility of the mixture. The polymer and additives were characterized by means of infrared spectroscopy, termogravimetry and diferencial scanning calorimetry. The evaluation of the spectra FTIR of the binders after simulated aging in RTFOT, showed that the modified binders with EVAR and EVA/FC were more resistant to oxidative hardening, probably due to the presence of the additive, in the composition of the residue, such as the calcium carbonate. The termogravimetry curves of the modified ABs presented behavior similar to the pure binder. The rheological properties were also evaluated by tests with the viscometer and the dynamic shear rheometer (DSR). In general, ageing causes an increase in stiffness and viscosity, however the master curves indicated that the effect of aging is most significant in the intermediate to high temperatures and increases the elasticity along the spectrum of frequencies. The zero shear viscosity (ZSV) obtained by the models of Cross and Williamson was higher than the Carreau model. In addition atomic force microscopy (AFM) images were obtained in the showed that the EVA polymer sweeling suggest that part of the maltenic fraction of the binder was absorbed by the polymer. For the binder modified with EVAR, the mixture showed good stability only after the addition of the extensor oil. The presence of CNSL and EO improved the thermal susceptibility of the modified binders.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Road transport is of great importance for many countries, in Brazil it can be even more extreme, by excessive movement of cargo through this modal. We know that the maintenance costs of roads are high, forcing researchers to find always new alternatives to improve the use of materials, reduce energy consumption, speed up restoration interventions, among others. The goal of this study is to evaluate the behavior of conventional asphalt mixtures of polymers and modified for resistance and deformability. For this study, we used a crushed mineral aggregate skeleton of volcanic origin with framed particle size in the range of C DNIT, coming from the quarry of Santo Antonio da Patrulha RS. 4 types of asphalt binders were used, the CAP 50/70, the TLA CAP, the CAP 60/85 and the TLA FLEX, and the latter two are modified polymers. Compression was done according to Superpave methodology. Tests were carried out to check the mechanical behavior (test Tensile Strength for Diametral Compression (RT) assay Resilience Module (MR) and Dynamic Module test Uniaxial) and later held one performance analysis of mixtures studied by AASHTOWare software. From these investigations it was possible to verify the behavior of the mixtures studied for their resistance, deformability and especially as its durability. It can be said that the choice of the mixture to be used will depend on its applicability. The tests showed that mixtures with TLA Flex achieved the best results, a fact that was confirmed by performance analysis that demonstrated the mixture of TLA Flex with a thickness of 18 cm coating meets all requirements evaluated. / O transporte rodoviário é de grande importância para muitos países, no Brasil isso pode ser ainda mais extremo, pelo excesso de movimentação das cargas através deste modal. Sabe-se que os custos de manutenção das rodovias são elevados, forçando os pesquisadores a encontrar sempre novas alternativas para melhorar o aproveitamento dos materiais, diminuir o consumo de energia, agilizar as intervenções de restauração, entre outros. O objetivo do presente trabalho é avaliar o comportamento de misturas asfálticas convencionais e modificadas por polímeros quanto à resistência e deformabilidade. Para este estudo foi utilizado um esqueleto mineral agregado britado de origem vulcânica com granulometria enquadrada na Faixa C do DNIT, advindos da pedreira de Santo Antônio da Patrulha, RS. Foram utilizados 4 tipos de ligantes asfálticos, o CAP 50/70, o CAP TLA, o CAP 60/85 e o TLA FLEX. A dosagem e compactação foram feitas segundo a metodologia SUPERPAVE. Foram realizados ensaios para verificação do comportamento mecânico (ensaio de Resistência à Tração por Compressão Diametral (RT), ensaio de Módulo de Resiliência (MR) e ensaio de Módulo Dinâmico Uniaxial) e posteriormente realizada uma análise desempenho das misturas estudadas através do software AASHTOWare. A partir destas investigações foi possível verificar o comportamento das misturas estudadas quanto a sua resistência, deformabilidade e principalmente quanto ao seu desempenho. Pode-se afirmar que a escolha da mistura a ser utilizada dependerá do cumprimento de uma série de quesitos de projeto. Os ensaios evidenciaram que as misturas com TLA Flex obtiveram os melhores resultados, fato este que foi confirmado através da análise de desempenho que comprovou que esta mistura, com espessura de 18 cm de revestimento cumpre com todos os requisitos de projeto.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CristianKML.pdf: 519626 bytes, checksum: 38b22671e47f97747d0f100e3e9ab1ba (MD5) Previous issue date: 2008-02-28 / This work presents the incorporation of an industrial polymeric waste into a petroleum asphalt cement with penetration grade 50-60 (CAP 50-60). The main goal of this research is the development of a polymer-modified asphalt, with improvements in its physical properties, in order to obtain a more resistant material to the traffic loads. Furthermore, the use of this polymeric waste will result in economic and environmental benefits. The CAP 50-60 used in this research was kindly supplied by LUBNOR Lubrificantes e Derivados de Petr?leo do Nordeste (produced in Fazenda Bel?m Aracati - Cear?) and the industrial polymeric waste was provided by a button manufacturer industry, located in Rio Grande do Norte state. This polymeric waste represents an environmental problem due to its difficulty in recycling and disposal, being necessary the payment by the industry to a landfill. The difficulty in its reuse is for being this material a termofixed polymer, as a result, the button chips resulting from the molding process cannot be employed for the same purpose. The first step in this research was the characterization of the polymeric waste, using Differential Scanning Calorimetry (DSC) Infrared spectroscopy (IR spectroscopy), and Thermogravimetric analysis (TGA). Based on the results, the material was classified as unsaturated polyester. After, laboratory experiments were accomplished seeking to incorporate the polymeric waste into the asphalt binder according to a 23 experimental factorial design, using as main factors: the polymer content (2%, 7% and 14%), the temperature of the mixture (140 and 180 oC) and the reaction time (20 and 60 minutes). The characterization of the polymer-modified asphalt was accomplished by traditional tests, such as: penetration, ring and ball softening point, viscosity, ductility and flash point temperature. The obtained results demonstrated that the addition of the polymeric waste into the asphalt binder modified some of its physical properties. However, this addition can be considered as a feasible alternative for the use of the polymeric waste, which is a serious environmental and technological problem. / Este trabalho apresenta um estudo sobre a incorpora??o de um res?duo industrial polim?rico ao Cimento Asf?ltico de Petr?leo com penetra??o 50-60 (CAP 50-60). O principal objetivo na realiza??o deste trabalho ? obter um asfalto modificado com melhorias em suas propriedades f?sicas, tornando-o mais resistente as cargas de tr?fego. Al?m disso,como conseq??ncia, o aproveitamento deste res?duo traz grandes benef?cios econ?micos e ambientais. O CAP 50-60 empregado nesta pesquisa foi cedido pela LUBNOR Lubrificantes e Derivados de Petr?leo do Nordeste (produzido na Fazenda Bel?m - Aracati- Cear?) e o res?duo polim?rico industrial foi cedido por uma f?brica de bot?es, localizada no Rio Grande do Norte. Trata-se de um res?duo que se constitui em um problema ambiental, devido ? dificuldade em aproveit?-lo ou descart?-lo, sendo necess?rio a empresa pagar a um aterro sanit?rio para estoc?-lo. A dificuldade no aproveitamento do res?duo deve-se ao fato do mesmo ser um pol?mero termorr?gido, assim, as aparas provenientes do processo de moldagem n?o podem ser aproveitadas para a mesma finalidade. A pesquisa foi iniciada com a caracteriza??o do res?duo, atrav?s dos ensaios de Calorimetria Diferencial Explorat?ria (DSC), Espectroscopia de Infravermelho (IV) e Analise Termogravim?trica (TGA), sendo este classificado como um poli?ster insaturado. Em seguida, foram realizados experimentos de incorpora??o do res?duo ao asfalto, de acordo com uma matriz de experimentos 23, tendo como fatores o teor de res?duo polim?rico (2%, 7% e 14%), a temperatura de incorpora??o (140 e 180 oC) e o tempo de incorpora??o ( 20 e 60 minutos). Para a caracteriza??o do asfalto modificado foram realizados ensaios tradicionais que avaliam a consist?ncia do asfalto, tais como: penetra??o, ponto de amolecimento, e viscosidade. Realizou-se tamb?m o ensaio de ponto de fulgor e ductilidade. Os resultados obtidos atrav?s destes ensaios mostraram que a adi??o do res?duo polim?rico ao ligante asf?ltico alterou algumas das propriedades f?sicas do CAP, sendo considerado uma alternativa vi?vel para a solu??o de um problema ambiental e tecnol?gico.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JuliaCLT_DISSERT.pdf: 2162032 bytes, checksum: 7f341c00df066e306597bec708b72f71 (MD5) Previous issue date: 2013-08-05 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The increasing demand for asphalt leads to the development of techniques that can improve the quality of products and increase the useful working life of pavements. Consequently, there is a growing application of asphalt emulsions, which are produced from a mixture of petroleum asphalt cement (CAP) with an aqueous phase. The main advantage of asphalt emulsions is its cold application, reducing energy costs. Conventional emulsions are obtained using asphalt, water, solvent, and additives. The modified asphalt emulsion is developed by adding a modifying agent to conventional emulsions. These modifiers can be natural fibers, waste polymers, nanomaterials. In this work modified asphalt emulsion were obtained using organoclays. First, it was prepared a conventional asphalt emulsion with the following mass proportion: 50% of 50/70 penetration grade CAP, 0.6% of additives and 3% of emulsifier, 20% of solvent and 26.4% of water. It was used bentonite and vermiculite (1% and 4%) to obtain the modified asphalt emulsion. Bentonite and vermiculite were added in its raw state and as an organoclay form and as an organoclay-acid form, resulting in 26 experimental runs. The methodology described by Qian et al. (2011), with modifications, was used to obtain the organoclay and the organoclay-acid form. infrared spectroscopy (IR)) were used to characterize the clays and nanoclays. The emulsions were prepared in a colloidal mill, using 30 minutes and 1 hour as mixing time. After, the emulsions were characterized. The following tests were performed, in accordance with the Brazilian specifications (DNER- 369/97): sieve analysis, Saybolt Furol viscosity, pH determination, density, settlement and storage stability, residue by evaporation, and penetration of residue. Finally, it can be concluded that the use of nanoclays as asphalt modifiers represent a viable alternative to the road paving industry / Com o aumento da demanda por asfaltos, faz-se necess?rio o desenvolvimento de t?cnicas que melhorem a qualidade e aumentem o tempo de vida ?til dos pavimentos. Com isso, cresce a aplica??o das emuls?es asf?lticas, que s?o produzidas a partir de uma mistura de Cimento Asf?ltico de Petr?leo (CAP) e uma fase aquosa, tendo como principal vantagem a redu??o de custos energ?ticos devido a sua aplica??o ser a frio. Neste trabalho foram obtidas emuls?es asf?lticas convencionais e modificadas. Para a obten??o de emuls?es asf?lticas convencionais foram utilizados os seguintes constituintes: asfalto, ?gua, solvente e aditivos. As emuls?es asf?lticas modificadas foram desenvolvidas a partir da adi??o de um agente modificante ?s emuls?es asf?lticas convencionais. Os agentes modificantes utilizados foram a bentonita e a vermiculita natural e modificadas com tensoativos. Primeiramente, preparou-se uma emuls?o asf?ltica convencional nas seguintes propor??es: 50% de CAP 50/70, 0,6% de aditivos e 3% de emulsificante em rela??o ? quantidade de asfalto, 20% de solvente e 26,4% de ?gua. Para a obten??o da emuls?o asf?ltica modificada, foi utilizada a bentonita e vermiculita como agente modificador em propor??es de 1% e 4 %. Os constituintes foram adicionados ao moinho coloidal por per?odos de 30 e 60 minutos. Foram realizados 26 ensaios, onde a bentonita e vermiculita foram adicionadas na sua forma natural, na forma organof?lica e na forma organof?lica em meio ?cido. Para a obten??o da argila organof?lica e organof?lica em meio ?cido utilizou-se o m?todo de Qian et al. (2011), com adapta??es. Para caracteriza??o das argilas e nanoargilas utilizou-se a t?cnica de espectroscopia no infravermelho (IV). Ap?s o per?odo de emulsifica??o, foram realizados os ensaios para caracteriza??o da emuls?o obtida. Os seguintes ensaios foram realizados, de acordo com as especifica??es t?cnicas (DNER-EM 369/97): peneiramento, viscosidade Saybolt Furol, pH, densidade, sedimenta??o, res?duo por evapora??o e penetra??o. Por fim, pode-se concluir que as emuls?es asf?lticas modificadas com nanoargilas apresentam-se como uma alternativa para o setor de pavimenta??o

Este trabalho apresenta alguns resultados de pesquisa laboratorial compreendendo projeto de dosagem, comportamento mecânico da mistura SMA (Stone Matrix Asphalt - Matriz Pétrea Asfáltica), bem como, aspectos executivos relacionados ao desenvolvimento de um trecho experimental em SMA para revestimento de pavimentos. Os resultados de laboratório obtidos mostram que o SMA é um revestimento asfáltico que pode apresentar bom desempenho sob cargas pesadas em climas quentes, pois estas misturas são muito resistentes à deformação permanente, mas preservam a flexibilidade como os concretos asfálticos densos. O SMA é uma solução bem conhecida para tráfego pesado na Europa e mais recentemente na América do Norte. O SMA também tem sido empregado para aumento de aderência em pista molhada e para redução de ruído. / This research presents laboratory test results of mixture design, mechanical behavior of SMA (Stone Matrix Asphalt), as well as some construction aspects regarding to development of Brazilian road trial section as a new bituminous surface course to pavement construction or maintenance.The laboratory results show that SMA can perform very well in hot climate under heavy load conditions due to the mixture to be very resistant against permanent deformation but still flexible like dense asphalt concrete. The SMA is a well Known solution for heavy traffic in Europe and, more recently, in North America. The SMA is also employed to increase the adherence in wet conditions and for noise reduction.

Orientador: Wagner dos Santos Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T00:29:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maciel_EmersonRodrigues_M.pdf: 10298208 bytes, checksum: d19a140f86e923ce68500657b2e841fa (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Este trabalho apresenta resultados o estudo de pesquisa e desenvolvimento de misturas de polímeros em cimento asfáltico de petróleo. O asfalto é um excelente material aglutinante utilizado na construção de rodovias e vias urbanas, entretanto o aumento do número de veículos comerciais e da carga transportada por eixo tem levado a deteriorização prematura dos pavimentos. Os resultados obtidos mostram que o polímero do tipo estireno-butadieno-estireno quando incorporado ao asfalto traz melhoria nas propriedades físico-químicas e desempenho, sobretudo quando em contato com cargas pesadas, em climas quentes, tornando-o resistente à deformação permanente, pela preservação de sua flexibilidade e elasticidade. A incorporação de 4% polímero tipo estirenobutadieno-estireno ao asfalto resultou na melhoria de suas propriedades, principalmente a resistência ao envelhecimento, aumento no ponto de amolecimento, ganho de recuperação elástica. O asfalto modificado é uma boa solução, pois embora aumente os custos iniciais do produto, resulta em um ótimo custo benefício, reduzindo a necessidade de manutenção das rodovias ou vias urbanas ao longo dos anos / Abstract: This paper presents laboratorial research results comprising developing project of polymer mixtures in petroleum asphalt cement. The asphalt is an excellent binding material used in the highway constructions and unban roads, however the increase of the commercial vehicles number and the load transported by axle have led to the premature pavements failure. The laboratory outcomes obtained show that the SBS polymer, which is embedded to the asphalt, brings improvement in the physico - chemical properties and performance mainly for its good performance under heavy loads in hot climates becoming resistant to the permanent deformation, but maintaining the flexibility as the asphaltic concrete providing elasticity. The SBS polymer is a good solution, although it increases the initial costs of the product, however with a great costeffective regarding the maintenance of the highways or unban roads over the years / Mestrado / Ciencia e Tecnologia de Materiais / Mestre em Engenharia Química