Orientador: Cassio Eduardo Lima de Paiva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-06T01:39:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_CarlosEduardoDelBenda_M.pdf: 2624680 bytes, checksum: 91c83d7e53e4678b23d6c80b5cb76bb5 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: A malha rodoviária brasileira tem grande importância para o desenvolvimento do País. Observando-se que esta malha é predominantemente de pavimento flexível, o estudo das propriedades de misturas betuminosas se toma indispensável. Com o desenvolvimento tecnológico de asfaltos, novas aplicações estão se mostrando viáveis e tecnicamente interessantes. Em algumas dessas aplicações, espera-se que estas misturas tenham uma permeabilidade adequada para o escoamento das águas precipitadas. Para caracterizar estas propriedades, desenvolveu-se, no Laboratório de Estradas de Engenharia Civil da Universidade de Campinas UNICAMP, um estudo da permeabilidade de 4 tipos de misturas betuminosas que pudessem caracterizar o amplo leque de misturas de graduação aberta. A partir dos resultados de permeabilidade obtidos, propõe-se a adoção do ensaio em novos projetos de misturas asfálticas durante a fase de elaboração e viabilização do mesmo, verificando se o tipo de mistura adotada é apropriado ou não com relação à precipitação característica do local e promovendo, acima de tudo, a segurança aos usuários. Propõe-se, ainda, a continuação do estudo para novos tipos de misturas asfálticas porosas, salientando-se que a utilização destas misturas ganha espaço no cenário nacional / Abstract: Brazilian highway network plays a huge importance for country development. Since most of this roads is formed by flexible pavement, a proper characterization of this bituminous mixture is indispensable. Following the development of new asphalt binders the altemative applications are becoming economic feasible. One of these applications is permeable wearing course that helps to drain off rainfall. In order of understand such bituminous mixtures a research was undergone in University of Campinas' Road Laboratory of Civil Engineering - UNICAMP where four different open coarse gradations were characterized, presenting a wide range of cases. As a result of this research new test methods for mixture design are proposed. It will be useful for selecting the right mixture for that place (amount of rain) in order to ensure user safety mainly. The continuation of this research includes other open graded mction coarse design since the adoption of this solution is growing nationwide / Mestrado / Transportes / Mestre em Engenharia Civil

Le travail de recherche présenté dans ce document a été réalisé dans le cadre d’une collaboration entre l’ENTPE/ niversité de Lyon et la SNCF. L’objectif de l’étude est la caractérisation des propriétés thermomécaniques des enrobés bitumineux à être utilisés dans la construction de voies ferrées. Le comportement viscoélastique linéaire (VEL) et la résistance à la fatigue d’enrobés pour couche de base couramment utilisés en France ont été étudiés. L’influence de l’eau sur ces propriétés a été aussi étudiée du fait que l’exposition à l’eau des couches bitumineuses en structure ferroviaire peut les altérer et réduire la durée de vie de l’ouvrage. La caractérisation du comportement VEL et de la résistance à la fatigue des matériaux a été faite en réalisant des essais mécaniques en traction-compression sur des éprouvettes cylindriques au laboratoire LTDS/ENTPE. Une nouvelle procédure de conditionnement à l’eau et au gel a été proposée sur la base des méthodes d’essai normalisées française et américaine. La susceptibilité à l’eau des matériaux a été obtenue par comparaison des résultats des essais mécaniques entre éprouvettes conditionnées et non conditionnées. Le comportement VEL des matériaux a été simulé avec le modèle 2S2P1D, développée à l’ENTPE. Trois formules pour couche de base ont été testées : une GB3, une GB4 et une formule appelée GB PMB. Cette dernière est la même formule GB3 mais avec un bitume modifié aux polymères SBS. La GB3 sert comme matériau de référence. La GB4 est un matériau de meilleures performances que la GB3. La formule GB4 étudiée correspond à celle mise en place dans la couche sous-ballast de la Ligne à Grande Vitesse (LGV) Bretagne-Pays de Loire. L’intérêt d’étudier la GB PMB est de savoir si l’utilisation de bitumes modifiés aux polymères est pertinente dans un contexte ferroviaire ou pas. 2 La zone test construite dans la LGV Est-Européenne près de la ville de Reims avec une couche sous-ballast en enrobé bitumineux a servi comme cas d’étude pour cette thèse. Les différents avantages de l’utilisation de matériaux bitumineux en structure ferroviaire retrouvées dans la bibliographie ont été confirmés avec le retour sur l’expérience de cette zone test. Les résultats obtenus des travaux expérimentaux montrent que les trois formules étudiées présentent des capacités portantes (rigidité) suffisantes pour leur utilisation comme couche sous-ballast. La méthode de conditionnement à l’eau et au gel utilisée n’a pas altéré le comportement VEL des matériaux. En ce qui concerne les essais de fatigue, les résultats ont montré que l’utilisation d’un bitume modifié aux polymères augmente sensiblement la résistance à la fatigue de la GB3. La GB PMB a aussi montré une plus faible susceptibilité de la résistance à la fatigue à l’eau et au gel que la GB3. Du fait que les niveaux de sollicitation de la base de la couche d’enrobé de la zone test LVG EE sont très faibles, tous les matériaux étudiés présentent des propriétés satisfaisantes de résistance à la fatigue en couche sous-ballast. / The research presented in this document was carried out in collaboration between the National School of Public Works (Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat – ENTPE) of the University of Lyon and the French National Railway Company (Société Nationale des Chemins de Fer français – SNCF). The objective of this study is the characterisation of the thermomechanical properties of road base-course bituminous mixtures commonly used in France for their use in railway track structures. Linear Viscoelastic (LVE) and fatigue resistance properties have been investigated. The influence of moisture damage including freeze-thaw cycles on the properties of the studied mixtures was also studied. LVE and fatigue resistance properties were obtained by means of sinusoidal tension-compression tests on cylindrical samples at the ENTPE/LTDS laboratory. A protocol for moisture conditioning of bituminous mixtures samples was developed based on the French and American standard test methods for moisture susceptibility and on the literature review on the subject. Moisture damage was assessed using complex modulus and fatigue tests. The LVE behaviour of the materials was described using the 2S2P1D (2 Springs, 2 Parabolic elements and 1 Dashpot) model developed at the ENTPE/LTDS laboratory. Three road base-course mixtures available in the French market were studied: a GB3, a GB4 and a mixture called GB PMB (for Polymer-Modified Bitumen). The GB3 mixture stands as the reference material since it is commonly used for the base-courses of conventional roads in France. The GB4 mixture stands as a better performing material than the GB3. The specific studied GB4 formulation corresponds to that used as sub-ballast of the Brittany-Loire high-speed line (HSL) in western France. The GB PMB stands as an improved version of the GB3 in which the base bitumen is replaced by polymer-modified bitumen. The interest of the study of this third mixture is to assess the relevance of using PMB’s in bituminous mixtures intended for railway platforms. The test zone of the East-European HSL served as case study to identify the loading conditions and the behaviour of a bituminous sub-ballast layer in a French track. The several advantages of using bituminous mixtures as sub-ballast material identified in the literature are confirmed by the feedback from this test zone. The results obtained show that the studied bituminous mixtures present excellent bearing capacities (stiffness) for their use as sub-ballast layers in France. The used moisture conditioning protocol did not alter the LVE behaviour of the materials. The good performance of the materials is then expected to be perennial regarding the effect of moisture on the LVE behaviour. With respect to fatigue resistance, the results show that the use of a PMB provides an important increase of the fatigue life as well as a reduction of the susceptibility to moisture damage. However, given the identified loading levels of the bituminous sub-ballast in a common French track structure, all three mixtures present adequate fatigue resistance properties.

With the introduction of high-speed trains over the past few years, as well as withan increase in traffic loads and volumes, the attractiveness and competitiveness ofthe railway transport system have increased. This leads to the need to develop newcost-effective ways in railway construction, providing an increase in the life cycle ofthe railway track and reducing the need for maintenance.In several European countries, Japan, and the USA, asphalt mixtures, also called“bituminous mixtures”, are used as such an alternative solution in both traditionalballasted and ballastless railway designs. International experience has shown thatbituminous mixtures have good technical characteristics and can meet many of therequirements of modern railway construction, especially when it comes to the useof asphalt materials in ballasted tracks. However, there is a lack of knowledge andexperience in using bituminous mixtures in railway construction in the northernregions and harsh winter conditions.In this thesis, the development of two- and three-dimensional models of ballastedrailway track with an asphalt sub-ballast layer is presented. The analysis of thestatic and dynamic characteristics of the whole model and the asphalt layer exposedto different temperatures is carried out using the finite element method (FEM) inthe COMSOL software. Simulation for all conditions is carried out with a trainspeed of 200 km/h. The relationship between various temperatures from 􀀀30 °Cto +30 °C and the stress-strain behaviour of the asphalt sub-ballast layer is alsodetermined. The results of the study show that both under the influence of lowand high temperatures, the stresses and strains in the asphalt layer are quite small.Besides, the use of asphalt sub-ballast in the track structure reduces deformationsand stresses acting on the subgrade surface.

The subject of this diploma thesis is a research of bituminous binder modification by fast react-ing polymer SBS. The theoretical part covers an introduction to bituminous binders, their pro-duction, chemical and physical-mechanical properties. The identification of bituminous binders and their use in bituminous mixtures is briefly described. To conclude, current modification methods are described in detail and important modifiers are introduced. In the practical part, three applied tests (softening point, elastic recovery and penetration) are described in detail. The bituminous binders tested (20/30, 30/45, 70/100, PMB 25/55-55 and PMB 45/80-50) and the fast-reacting polymer SBS are introduced. Samples with two weight percentages of SBS, 7,5% and 10%, are produced. Two mixing times, 60 seconds and 600 seconds were used to mix the bituminous binder and SBS. In conclusion, the results are evaluated and commented. Further research suggestions regarding this field are recommended.

The Diploma thesis is focused on rheological properties of bituminous binders and mixtures. Above all, it describes the changes of these properties of samples of bituminous binders and mixtures. Those were brought by the process of laboratory aging, since it simulates the changes occurring in the in the real-life conditions. The theoretical part depicts the field of rheology and methods utilized for simulating the ageing of binders and mixtures. The practical part describes the process of preparation of samples and its testing. Firstly, the ageing of bituminous mixture by the means of BSA method (Braunschweiger Alterung) took place, which was followed by preparing the solids for testing the modulus of stiffness and main testing. The rest of the mixture was used for extracting the binder. Tests with the binder were focused on the usage of dynamic shear rheometer (complex shear modulus, dynamic viscosity). The last part of the work is dedicated to the comparison of the outcomes of testing.

Les premiers recyclages d’enrobés bitumineux à 50% sont apparus sur autoroutes françaises dans les années 1990 – une charte de l’innovation spécifique aux enrobés drainants intégrant 50% de recyclés fut notamment délivrée début 2002 (SETRA - CSTR, 2002). Un nouveau cycle de recyclage à fort taux de ces tout premiers enrobés a été entrepris ici ou là, depuis quelques années. Le multirecyclage des agrégats d’en-robé (AE) dans les mélanges d’enrobés bitumineux est de ce fait une problématique actuelle, qui va se gé-néraliser dans l’avenir, lorsqu’il faudra recycler des enrobés contenant déjà des enrobés recyclés plusieurs fois. Le projet visant à étudier le MUlti-Recyclage des Enrobés tièdes a été labellisé projet national (PN MURE). Une part du projet MURE regroupant des aspects scientifiques particuliers a été regroupé au sein du projet « IMPROVMURE », financé par l’Agence Nationale de la Recherche, et qui a débuté en mars 2014. L’objectif du projet « Innovation en Matériaux et PROcédés pour la Valorisation du MUlti-Recyclage des En-robés » (IMPROVMURE) est de fournir des éléments de réponse raisonnés et quantifiés, en laboratoire et sur sites pilotes, afin de faire du multi-recyclage des enrobés fabriqués à chaud et tiède. Les questions sociétales, environnementales, règlementaires ou normatives sont également prises en compte dans le cadre du projet. Un des objectifs du projet IMPROVMURE est l’étude des propriétés thermomécaniques des enrobés. C’est dans le cadre de cet objectif que s’inscrit le travail de thèse présenté dans ce document. Cette thèse est le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire Génie Civil et Bâtiment de l’ENTPE (LGCB)/Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) et l’entreprise EIFFAGE Infrastructures. 15 types d’enrobés ont été testés pour l’étude des propriétés thermomécaniques des enrobés multi-recyclés. Les enrobés diffèrent par leur condition de fabrication (Laboratoire ou chantier), leur procédé de fabrication (chaud ou tiède mousse), le taux d’agrégat d’enrobé introduit (0%, 40%, 70% ou100%) et le nombre de cycles de recyclage (un, deux ou trois). Trois caractéristiques ont été communes à tous les types d’enrobés fabriqués, sauf pour l’enrobé contenant 100% d’agrégats d’enrobé. La première est la même courbe granulométrique des granulats, la troisième est la teneur en liant de 5.4% en masse et la troisième est le type d’enrobé « Béton Bitumineux Semi-Grenu » (BBSG) de type 03 selon la norme EN 13108-1. Trois domaines du comportement des enrobés bitumineux ont été étudies : Viscoélasticité linéaire (VEL), couplage thermomécanique à basse température et fissuration à froid. Pour le domaine de comportement VEL, les enrobés bitumineux ont été étudiés à l’aide des essais de module complexe en traction-compression réalisés sur une large gamme de températures et de fréquences sur éprouvette cylindrique à l’ENTPE. Les résultats sont modélisés à l’aide du modèle analogique 2S2P1D qui a été développé au laboratoire LGCB de l’ENTPE. Des essais de propagation d’ondes ont aussi été réalisés. La méthode de détermination du temps de vol des ondes « P » et des ondes « S » et la méthode Impact Résonance sont utilisées. Ces essais utilisent des méthodes non destructives et faciles à réaliser. On peut ainsi calculer les valeurs de modules et de coefficients de Poisson des matériaux. Puis, le couplage thermomécanique à basse température est caractérisé à l’aide de l’essai de retrait thermique empêché (TSRST), qui utilise le même dispositif que l’essai de module complexe mais les éprouvettes utilisées sont de géométrie différente. Finalement des essais de propagation de fissure ont été réalisés avec des sollicitations monotones. La propagation de la fissure suivie utilisant la méthode de corrélation des images. Des estimations de la hauteur de fissure ont été faites sur la basse de la méthode DRCL développée à l’ENTPE. / Reuse of Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) is considered as one of the main solutions to cope with the objectives of worldwide sustainable development. In this way, the reuse of RAP in bituminous mixtures has been matter of study in previous papers (Chen et al., 2009; Kaur et al., 2013; Mogawer et al., 2012; Ru-bio et al., 2012; Sias Daniel et al., 2013; Valdés et al., 2011) and had concluded be economically profitable as well as had demonstrated the durability of the tested materials. Nowadays, new topics overcome dealing with how increase the RAP content and how many times RAP could be recycled. In France, a collaborative research and development project called “Multi-recycling of warm foam bitu-minous mixtures” (MURE) have brought together all the stakeholders involved in road construction. The pro-gram has run since March 2014. The scientific part of MURE project is IMPROVMURE project (Innovation for Materials and Processes for Improving the Multi-Recycling of Mixes). The overall budget of the project were €4.7M, €2.3M of which been provided by the ANR (National Re-search Agency) in the framework of the IMPROVMURE project, which has gotten under way in March 2014 and its main goal of characterizing the remobilization of the binder from recycled materials was the evalua-tion of the durability of mixes with the addition of binder. Thus, one objective of this project is to determine the thermomechanical properties of multi-recycled bi-tuminous mixtures, so in the context of this goal the current study was made. Likewise this investigation was a collaboration between the Tribology and System Dynamics Laboratory (LTDS) of the University of Lyon/ENTPE (“Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat” ) and the French company EIFFAGE Infra-structures. For this study 15 types of bituminous mixtures were tested, the bituminous mixtures were produced in the laboratory and construction site, also two different techniques were studied for mixtures elaboration: hot and warm using foamed bitumen in both cases, the RAP content on these were 0%, 40%, 70% and even close to 100% produced after several recycling operations (up to 3 cycles). All bituminous mixtures have 3 invariants: the first is the same aggregate grading curves (except the bituminous mixture with 100% of RAP). The second one is the total binder content (5.4% in total weight). The last is classified as BBSG-03 0/10 bitu- 15 minous mixture, as is specified in the European standards for classification of bituminous mixtures (NF EN 13108-1 - 2007). Three domains of behaviour were studied: Linear Viscoelastic behaviour (LVE), cracking behaviour at low temperature and the fracture behaviour at low temperature. The LVE was studied considering complex modulus tests on bituminous mixtures and were performed in tension/compression on cylindrical samples, thus LVE behaviour was then modelled with 2S2P1D rheological model, developed at Uni. of Lyon / ENTPE, for the other hand cracking behaviour at low temperature was studied considering Thermal Stress Restrained Specimen Tests (TSRST), and finally fracture behaviour at low temperature was studied with the crack propagation tests as a monotonic loading.

Une étude expérimentale a été effectuée sur diverses formules de trois familles d’enrobés bitumineux avec des taux de recyclage variables et la présence ou non de régénérant. La composition des mélanges et le procédé de fabrication ont été élaborés afin d’effectuer une étude comparative. L’enrobage produit des variations des paramètres physico-chimiques des liants telles que la consistance, la température de transition vitreuse, les fractions cristallisables, les taux d’aromatiques et d’asphaltènes ; ces variations sont limitées en présence de régénérant. Lorsque le taux d’AE augmente, la compactibilité et l’orniérage des mélanges diminuent et leur rigidité viscoélastique augmente, mais le régénérant limite ces variations. Globalement, les AE produisent une augmentation de la résistance à la fatigue des formules et un aplatissement des droites de Wöhler. Le régénérant améliore le paramètre de fatigue ɛ6 ; les performances en fatigue augmentent avec la TBA et l’indice colloïdal du liant ainsi qu’avec la diminution de la viscosité de l’enrobé. L’impact favorable d’un taux élevé d’AE et du régénérant sur le trafic admissible a été déterminé suite au dimensionnement d’une structure souple tri-couche. À basse température, la détérioration par les AE de la ductilité en traction et de la température de rupture par retrait empêché se trouvent limitées par le régénérant ; un compromis est cependant à trouver avec la résistance à la fatigue. Les formules régénérées mises en œuvre sur la couche de roulement d’une route départementale ont subi une moindre évolution après six ans de service que les mélanges non régénérés. / An experimental programme has been performed on three types of bituminous mixes with variable recycling rates and the possible addition of rejuvenator. The mix composition and the production process have been defined in order to perform a comparative analysis. The coating process modifies the physico-chemical parameters of the binders, like consistency, glassy transition temperature, cristallizable moiety, aromatics and asphaltenes rates; the above variations are limited by using the rejuvenator. As the RAP content increases, the compactibility and the rutting of the mixes decrease and the viscoelastic stiffness increases, but the rejuvenation reduces these variations. Globally, RAP increases the fatigue resistance of the mixes and flattens the Wöhler curve. Rejuvenation enhances ɛ6 fatigue parameter; fatigue performances increase with R&B temperature and colloidal index of the binder and as the viscous component of the mixes decreases. The positive impact of a high rate of RAP and of the rejuvenation on the allowable traffic has been evaluated from the structural design of a threelayered pavement. At low temperature, the deterioration of the tension ductility and of the stress restrained failure temperature produced by the RAP, is limited by the rejuvenation; a compromise with the fatigue resistance has to be found. The rejuvenated mixes laid as surface layers on a provincial road have experienced a smaller evolution that non rejuvenated mixes.