Submitted to The Arizona Highway Department Phoenix, Arizona for Research Project - Arizona HPR-1-14(167) / The research has been directed toward obtaining information on some of the physical properties of various asphalt- rubber (A-R) mixes as related to waterproof membrane applications. In particular, three rubber particle size distributions and three asphalt-rubber spread quantities were investigated. Laboratory testing utilized for physical property determination included thin film permeability, water absorption (ASTM D570-72), Water Vapor Transmission (ASTM E96-72, procedure BW), ductility (ASTM D113-74), Tensile-Toughness, viscosity and slope stability. The results of the study showed that the A-R as an integral membrane is relatively impermeable. The addition of the rubber does not affect the permeability of an otherwise homogeneous asphalt film. Physical property values of asphalt that are increased when rubber is added include water absorption, slope stability, toughness and viscosity. Those that exhibit lower physical property values include ductility and slope/flow characteristics. Installation of experimental field plots provided additional positive information on the waterproofing characteristics of the A-R and also helped develop field procedures on A-R application to a prepared subgrade.

abstract: Oxidative aging is an important factor in the long term performance of asphalt pavements. Oxidation and the associated stiffening can lead to cracking, which in turn can lead to the functional and structural failure of the pavement system. Therefore, a greater understanding of the nature of oxidative aging in asphalt pavements can potentially be of great importance in estimating the performance of a pavement before it is constructed. Of particular interest are the effects of aging on asphalt rubber pavements, due to the fact that, as a newer technology, few asphalt rubber pavement sections have been evaluated for their full service life. This study endeavors to shed some light on this topic. This study includes three experimental programs on the aging of asphalt rubber binders and mixtures. The first phase addresses aging in asphalt rubber binders and their virgin bases. The binders were subjected to various aging conditions and then tested for viscosity. The change in viscosity was analyzed and it was found that asphalt rubber binders exhibited less long term aging. The second phase looks at aging in a laboratory environment, including both a comparison of accelerated oxidative aging techniques and aging effects that occur during long term storage. Dynamic modulus was used as a tool to assess the aging of the tested materials. It was found that aging materials in a compacted state is ideal, while aging in a loose state is unrealistic. Results not only showed a clear distinction in aged versus unaged material but also showed that the effects of aging on AR mixes is highly dependant on temperature; lower temperatures induce relatively minor stiffening while higher temperatures promote much more significant aging effects. The third experimental program is a field study that builds upon a previous study of pavement test sections. Field pavement samples were taken and tested after being in service for 7 years and tested for dynamic modulus and beam fatigue. As with the laboratory aging, the dynamic modulus samples show less stiffening at low temperatures and more at higher temperatures. Beam fatigue testing showed not only stiffening but also a brittle behavior. / Dissertation/Thesis / M.S. Civil and Environmental Engineering 2010

As misturas asfálticas do tipo SMA apresentam granulometria descontínua, composta por uma maior fração de agregados graúdos, uma rica massa de ligante/fíler (mastique) e aproximadamente 4% de volume de vazios. Possuem um esqueleto pétreo de alta estabilidade devido ao contato pedra-pedra, que proporciona uma maior resistência à deformação permanente. Geralmente o teor de ligante asfáltico é superior a 6%, formando uma película asfáltica mais espessa. São utilizadas fibras para evitar o escorrimento do ligante durante as etapas de produção e lançamento e, geralmente, são usados asfaltos modificados por polímero. Esta pesquisa tem por objetivo avaliar se o ligante asfalto-borracha possibilita misturas asfálticas SMA capazes de atender aos valores limites de aceitação e, por meio de ensaios de laboratório (resistência à tração, módulo de resiliência, fadiga e deformação permanente em simulador de tráfego), comparar o comportamento de misturas SMA com diferentes tipos de ligante (asfalto convencional CAP 20, modificado por polímero e asfalto-borracha) com um concreto asfáltico convencional de granulometria contínua (Faixa C do DNER). Os resultados obtidos apresentam o comportamento de uma mistura SMA com asfalto-borracha muito mais próximo de misturas SMA produzidas com um ligante modificado por polímero do que com um asfalto convencional. / SMA is a gap-graded asphalt mixture with a large proportion of high quality coarse aggregate, a high content of mastic (binder/filler), and approximately 4% of air voids. The larger proportion of coarse aggregate provides a greater stone-to-stone contact, which results in a mixture more resistant to permanent deformation than the conventional Hot Mix Asphalt (HMA). The asphalt content is typically greater than 6.0 percent, which increases the film thickness. Fibers are used to prevent drainage of the asphalt binder during the HMA production and placement, and polymer-modified asphalt cements are usually used. This research aims to evaluate if an asphalt-rubber binder produces SMA mixtures able to meet the technical requirements. The behavior of SMA mixtures produced with different binders (conventional AC-20, polymermodified, and asphalt-rubber) is analyzed based on laboratory tests (tensile strength, resilient modulus, fatigue, and permanent deformation in a traffic simulator) and compared to the behavior of a conventional dense-graded HMA The results show that the behavior of SMA mixtures produced with asphalt-rubber is much closer to SMA mixtures produced with polymer-modified binder than conventional asphalts.

Este trabalho tem por objetivo avaliar o desempenho mecânico de misturas asfálticas densas quando submetidas ao processo de envelhecimento a curto prazo, em laboratório. Foram usados três tipos de cimento asfáltico : cimento asfáltico de petróleo (CAP 20 puro), cimento asfáltico modificado com 4,5% de polímero SBS (Styrene Butadiene Styrene) e cimento asfáltico modificado com 20,0% borracha reciclada de pneu (BRP). A curva granulométrica adotada é o centro da faixa \"C\" da especificação federal (DNER, 1997). Para simular o processo de envelhecimento a curto prazo durante as fases de estocagem, mistura, aplicação e construção, as misturas asfálticas foram acondicionadas de maneira solta em estufa de verificação por um período de 4 e 8 horas, a uma temperatura de 135ºC. Após o envelhecimento as misturas foram compactadas de acordo com o método de ensaio Marshall e submetidas aos ensaios mecânicos. Os resultados de ensaio de fluência por compressão uniaxial dinâmica mostraram que, em relação aos asfaltos puros, as misturas modificadas apresentam deformação total menor, quando submetidas ao processo de envelhecimento a curto prazo. Os resultados de ensaio de módulo de resiliência não permitiram distinguir claramente a influência do processo de envelhecimento a curto prazo nas misturas asfálticas modificadas com borracha. Já para as misturas modificadas com polímero, o módulo de resiliência aumentou quando estas misturas foram submetidas ao processo de envelhecimento a curto prazo. / The purpose of this research is to evaluate the modification of some mechanical properties of dense asphalt mixes due to short-term asphalt aging. Three type of binder were tested : CAP 20 asphalt cement (Petrol Asphalt Cement - 20, brazilian specification), SBS polymer-modified asphalt (Styrene Butadiene Styrene 4.5% + CAP 20) and recycled tire rubber-modified asphalt (rubber 20% + CAP 20). The grain size distribution of the aggregate conforms to grade \"C\" of the brazilian standard for bituminous concrete (DNER - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, 1997). In order to simulate the aging phenomenon that occurs during asphalt storage, mixture production, placement and compaction, the specimens of loose mixture were placed over a tray in a ventilated oven at 135ºC for 4 or 8 hours. After the aging period, if applicable, the mixture was compacted according to the Marshal method. Immediately after the compaction process the specimens were tested for uniaxial dynamic creep, tension by diametral compression, and resilience by dynamic diametral compression. Results of uniaxial dynamic creep test had shown that, after laboratory short-term aging, the total deformation accumulated by polymer or rubber modified mixtures are smaller than total deformation for plain asphalt. Resilient modulus tests, for rubber modified asphalts, were not conclusive about differences between mixtures before and after aging. However, for polymer modifiedasphalts, the resilient modulus increased as effect of short-term aging.

A produção de um ligante modificado com a borracha de pneus usados tem-se tornado viável em virtude do aumento da rigidez a temperaturas elevadas e da flexibilidade a baixas temperaturas que ele proporciona no revestimento dos pavimentos flexíveis, contribuindo para amenizar dois dos principais defeitos que afetam este tipo de pavimento, a saber, a deformação permanente nas trilhas de roda e as trincas por fadiga. Em acréscimo, consegue-se diminuir a quantidade de pneus dispostos em aterros sanitários, disponibilizando espaço e evitando problemas ambientais e de saúde pública, pois o acúmulo de pneus facilita a procriação de insetos e de outros vetores de doenças. Utilizando-se ensaios tradicionais e ensaios do método Superpave, neste trabalho são analisados os efeitos dos principais fatores que condicionam o comportamento do ligante asfalto-borracha (teor granulometria das partículas de borracha, tempo e temperatura de mistura, mantida constante em 155ºC) e as alterações nas propriedades físicas do ligante asfalto-borracha durante o tempo de armazenamento. / The production of a modified binder with used tire has become possible because of the increase in the stiffness at high temperature and the flexibility at low temperature that it brings to the surface layers of flexible pavements. The asphalt-rubber binders help to prevent two of the most important problems that affect flexible pavements, that is, the permanent deformation in the wheel tracks and fatigue cracking. In addition, it is possible to reduce the amount of tires disposed in sanitary landfills, increasing the service-life and avoiding environmental and health problems. Using traditional tests and tests of the Superpave method, this study analyses the effects of the main factors that affects the behavior of the asphalt-rubber binder (content and gradation of rubber particles, reaction temperature fixed in 155ºC and time) and the changes in the physical properties of asphalt-rubber binder during the storage time.

A produção de um ligante modificado com a borracha de pneus usados tem-se tornado viável em virtude do aumento da rigidez a temperaturas elevadas e da flexibilidade a baixas temperaturas que ele proporciona no revestimento dos pavimentos flexíveis, contribuindo para amenizar dois dos principais defeitos que afetam este tipo de pavimento, a saber, a deformação permanente nas trilhas de roda e as trincas por fadiga. Em acréscimo, consegue-se diminuir a quantidade de pneus dispostos em aterros sanitários, disponibilizando espaço e evitando problemas ambientais e de saúde pública, pois o acúmulo de pneus facilita a procriação de insetos e de outros vetores de doenças. Utilizando-se ensaios tradicionais e ensaios do método Superpave, neste trabalho são analisados os efeitos dos principais fatores que condicionam o comportamento do ligante asfalto-borracha (teor granulometria das partículas de borracha, tempo e temperatura de mistura, mantida constante em 155ºC) e as alterações nas propriedades físicas do ligante asfalto-borracha durante o tempo de armazenamento. / The production of a modified binder with used tire has become possible because of the increase in the stiffness at high temperature and the flexibility at low temperature that it brings to the surface layers of flexible pavements. The asphalt-rubber binders help to prevent two of the most important problems that affect flexible pavements, that is, the permanent deformation in the wheel tracks and fatigue cracking. In addition, it is possible to reduce the amount of tires disposed in sanitary landfills, increasing the service-life and avoiding environmental and health problems. Using traditional tests and tests of the Superpave method, this study analyses the effects of the main factors that affects the behavior of the asphalt-rubber binder (content and gradation of rubber particles, reaction temperature fixed in 155ºC and time) and the changes in the physical properties of asphalt-rubber binder during the storage time.

Este trabalho tem por objetivo avaliar o desempenho mecânico de misturas asfálticas densas quando submetidas ao processo de envelhecimento a curto prazo, em laboratório. Foram usados três tipos de cimento asfáltico : cimento asfáltico de petróleo (CAP 20 puro), cimento asfáltico modificado com 4,5% de polímero SBS (Styrene Butadiene Styrene) e cimento asfáltico modificado com 20,0% borracha reciclada de pneu (BRP). A curva granulométrica adotada é o centro da faixa \"C\" da especificação federal (DNER, 1997). Para simular o processo de envelhecimento a curto prazo durante as fases de estocagem, mistura, aplicação e construção, as misturas asfálticas foram acondicionadas de maneira solta em estufa de verificação por um período de 4 e 8 horas, a uma temperatura de 135ºC. Após o envelhecimento as misturas foram compactadas de acordo com o método de ensaio Marshall e submetidas aos ensaios mecânicos. Os resultados de ensaio de fluência por compressão uniaxial dinâmica mostraram que, em relação aos asfaltos puros, as misturas modificadas apresentam deformação total menor, quando submetidas ao processo de envelhecimento a curto prazo. Os resultados de ensaio de módulo de resiliência não permitiram distinguir claramente a influência do processo de envelhecimento a curto prazo nas misturas asfálticas modificadas com borracha. Já para as misturas modificadas com polímero, o módulo de resiliência aumentou quando estas misturas foram submetidas ao processo de envelhecimento a curto prazo. / The purpose of this research is to evaluate the modification of some mechanical properties of dense asphalt mixes due to short-term asphalt aging. Three type of binder were tested : CAP 20 asphalt cement (Petrol Asphalt Cement - 20, brazilian specification), SBS polymer-modified asphalt (Styrene Butadiene Styrene 4.5% + CAP 20) and recycled tire rubber-modified asphalt (rubber 20% + CAP 20). The grain size distribution of the aggregate conforms to grade \"C\" of the brazilian standard for bituminous concrete (DNER - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, 1997). In order to simulate the aging phenomenon that occurs during asphalt storage, mixture production, placement and compaction, the specimens of loose mixture were placed over a tray in a ventilated oven at 135ºC for 4 or 8 hours. After the aging period, if applicable, the mixture was compacted according to the Marshal method. Immediately after the compaction process the specimens were tested for uniaxial dynamic creep, tension by diametral compression, and resilience by dynamic diametral compression. Results of uniaxial dynamic creep test had shown that, after laboratory short-term aging, the total deformation accumulated by polymer or rubber modified mixtures are smaller than total deformation for plain asphalt. Resilient modulus tests, for rubber modified asphalts, were not conclusive about differences between mixtures before and after aging. However, for polymer modifiedasphalts, the resilient modulus increased as effect of short-term aging.

As misturas asfálticas do tipo SMA apresentam granulometria descontínua, composta por uma maior fração de agregados graúdos, uma rica massa de ligante/fíler (mastique) e aproximadamente 4% de volume de vazios. Possuem um esqueleto pétreo de alta estabilidade devido ao contato pedra-pedra, que proporciona uma maior resistência à deformação permanente. Geralmente o teor de ligante asfáltico é superior a 6%, formando uma película asfáltica mais espessa. São utilizadas fibras para evitar o escorrimento do ligante durante as etapas de produção e lançamento e, geralmente, são usados asfaltos modificados por polímero. Esta pesquisa tem por objetivo avaliar se o ligante asfalto-borracha possibilita misturas asfálticas SMA capazes de atender aos valores limites de aceitação e, por meio de ensaios de laboratório (resistência à tração, módulo de resiliência, fadiga e deformação permanente em simulador de tráfego), comparar o comportamento de misturas SMA com diferentes tipos de ligante (asfalto convencional CAP 20, modificado por polímero e asfalto-borracha) com um concreto asfáltico convencional de granulometria contínua (Faixa C do DNER). Os resultados obtidos apresentam o comportamento de uma mistura SMA com asfalto-borracha muito mais próximo de misturas SMA produzidas com um ligante modificado por polímero do que com um asfalto convencional. / SMA is a gap-graded asphalt mixture with a large proportion of high quality coarse aggregate, a high content of mastic (binder/filler), and approximately 4% of air voids. The larger proportion of coarse aggregate provides a greater stone-to-stone contact, which results in a mixture more resistant to permanent deformation than the conventional Hot Mix Asphalt (HMA). The asphalt content is typically greater than 6.0 percent, which increases the film thickness. Fibers are used to prevent drainage of the asphalt binder during the HMA production and placement, and polymer-modified asphalt cements are usually used. This research aims to evaluate if an asphalt-rubber binder produces SMA mixtures able to meet the technical requirements. The behavior of SMA mixtures produced with different binders (conventional AC-20, polymermodified, and asphalt-rubber) is analyzed based on laboratory tests (tensile strength, resilient modulus, fatigue, and permanent deformation in a traffic simulator) and compared to the behavior of a conventional dense-graded HMA The results show that the behavior of SMA mixtures produced with asphalt-rubber is much closer to SMA mixtures produced with polymer-modified binder than conventional asphalts.

Esta dissertação apresenta uma avaliação da eficiência de um recapeamento constituído por mistura de asfalto-borracha (processo via-úmida), no retardamento de reflexão de trincas, através da técnica de ensaios acelerados. Para a realização do estudo foi construído um pavimento experimental com camada final de terraplenagem de argila arenosa de comportamento laterítico (50 cm), base de brita graduada (30 cm), camada de concreto asfáltico trincado (4 cm) e camada de recapeamento em asfalto-borracha (5 cm). O simulador de tráfego DAER/UFRGS aplicou aproximadamente 513.000 ciclos de carga de eixo de 100 kN. Ao longo do experimento o desempenho do pavimento foi acompanhado, com ênfase no surgimento de trincas. A evolução da condição estrutural do pavimento foi monitorada através das medidas de deflexões e dados de instrumentação (tensões e deformações). O registro da evolução da condição funcional do pavimento foi feito através do levantamento de afundamento de trilha de roda, e macro e micro textura. Com a finalidade de comparar o desempenho do recapeamento em asfalto-borracha com os de outros recapeamentos convencionais previamente ensaiados, desenvolveu-se um procedimento para correção de temperaturas. Constatou-se que o emprego de asfalto-borracha retardou em cinco vezes o surgimento de trincas. Assim, o nível de severidade do trincamento igual a 100 cm/m2 ocorreu no recapeamento em asfalto-borracha após 340.000 solicitações (100 kN), enquanto no recapeamento em asfalto convencional tal nível de severidade foi registrado com somente 66.000 solicitações da mesma carga de eixo. Globalmente, o recapeamento em asfalto-borracha conferiu ao pavimento melhores condições funcionais e estruturais, se comparado com um recapeamento convencional da mesma espessura, executado sobre um pavimento com níveis de degradação similares. / This research discusses the efficiency of asphalt-rubber overlays in cracks reflection delaying, based in APT data. In order to carry the study, a test section was built over a lateritic sandy clay subgrade. The pavement included a 30 cm thick granular base, a 4 cm thick cracked asphalt concrete and 5 cm thick asphalt-rubber overlay. A linear traffic simulator applied nearly 513,000 cycles of 100-kN axle load. During trafficking the pavement performance was followed, emphasis being given to cracking. The pavement structural condition was monitored by deflection measurements and instrumentation (stress and strain) data. Rut depths and pavement texture were measured as part of the functional evaluation. In order to compare the performance of the focused asphalt-rubber to those of conventional asphalt concrete overlays previously tested, a procedure to correct testing temperatures was developed. It was found out that cracks appeared in the asphalt-rubber overlay nearly 5 times later than in the AC conventional one. The same cracking severity index of 100 cm/m2 that occurred after 340,000 loading cycles in the asphalt-rubber overlay, was computed after just 66,000 cycles in the conventional AC overlay. All in all, the asphalt-rubber overlay provided the pavement better functional and structural conditions, than a conventional AC overlay with identical thickness would.

Esta dissertação apresenta uma avaliação da eficiência de um recapeamento constituído por mistura de asfalto-borracha (processo via-úmida), no retardamento de reflexão de trincas, através da técnica de ensaios acelerados. Para a realização do estudo foi construído um pavimento experimental com camada final de terraplenagem de argila arenosa de comportamento laterítico (50 cm), base de brita graduada (30 cm), camada de concreto asfáltico trincado (4 cm) e camada de recapeamento em asfalto-borracha (5 cm). O simulador de tráfego DAER/UFRGS aplicou aproximadamente 513.000 ciclos de carga de eixo de 100 kN. Ao longo do experimento o desempenho do pavimento foi acompanhado, com ênfase no surgimento de trincas. A evolução da condição estrutural do pavimento foi monitorada através das medidas de deflexões e dados de instrumentação (tensões e deformações). O registro da evolução da condição funcional do pavimento foi feito através do levantamento de afundamento de trilha de roda, e macro e micro textura. Com a finalidade de comparar o desempenho do recapeamento em asfalto-borracha com os de outros recapeamentos convencionais previamente ensaiados, desenvolveu-se um procedimento para correção de temperaturas. Constatou-se que o emprego de asfalto-borracha retardou em cinco vezes o surgimento de trincas. Assim, o nível de severidade do trincamento igual a 100 cm/m2 ocorreu no recapeamento em asfalto-borracha após 340.000 solicitações (100 kN), enquanto no recapeamento em asfalto convencional tal nível de severidade foi registrado com somente 66.000 solicitações da mesma carga de eixo. Globalmente, o recapeamento em asfalto-borracha conferiu ao pavimento melhores condições funcionais e estruturais, se comparado com um recapeamento convencional da mesma espessura, executado sobre um pavimento com níveis de degradação similares. / This research discusses the efficiency of asphalt-rubber overlays in cracks reflection delaying, based in APT data. In order to carry the study, a test section was built over a lateritic sandy clay subgrade. The pavement included a 30 cm thick granular base, a 4 cm thick cracked asphalt concrete and 5 cm thick asphalt-rubber overlay. A linear traffic simulator applied nearly 513,000 cycles of 100-kN axle load. During trafficking the pavement performance was followed, emphasis being given to cracking. The pavement structural condition was monitored by deflection measurements and instrumentation (stress and strain) data. Rut depths and pavement texture were measured as part of the functional evaluation. In order to compare the performance of the focused asphalt-rubber to those of conventional asphalt concrete overlays previously tested, a procedure to correct testing temperatures was developed. It was found out that cracks appeared in the asphalt-rubber overlay nearly 5 times later than in the AC conventional one. The same cracking severity index of 100 cm/m2 that occurred after 340,000 loading cycles in the asphalt-rubber overlay, was computed after just 66,000 cycles in the conventional AC overlay. All in all, the asphalt-rubber overlay provided the pavement better functional and structural conditions, than a conventional AC overlay with identical thickness would.