The increase and change in traffic loading in recent years has resulted in the introduction of a new range of high performance asphalt binders. These new binders known as modified asphalt binders, have a more complex behavior than traditional binders. A review of the current mathematical models shows that most of them suffer from different drawbacks that make them inadequate for their intended application. To describe the behavior of straight and modified binders in the thermorheologically simple linear viscoelastic region, two models are proposed. Models to characterize the absolute value of the complex shear modulus (|G*|) and the phase angle (d) were developed using the matching function approach and validated by an experimental program. The dynamic mechanical properties of two typical paving grade binders and three modified binders were tested at intermediate and high service temperatures. Short-term and long-term aging were simulated by the rolling thin film oven test and the pressure aging vessel test, respectively. A dynamic shear rheometer with parallel plate configuration was used to conduct the dynamic mechanical tests at frequencies between 0.06 to 188.5 rad/sec and temperatures ranging from 5 to 75°C. Prior to the frequency sweeps, strain sweeps were performed to establish the linear viscoelastic region. Results indicated a strong susceptibility to the defined strain at intermediate temperatures; however, strain susceptibility was less pronounced at high temperatures. Frequency sweeps were then conducted at a constant strain corresponding to greater than 95% of the initial complex shear modulus as established by AASHTO TP5 for straight asphalts. The Time-Temperature Superposition Principle was used to construct the master curves. The shift factors were determined based on the complex shear modulus master curves and verified for the phase angle, storage shear modulus and loss shear modulus. After construction of the master curves, non-linear regression was used to fit the proposed models to the experimental data. Comparison between the measured and predicted values indicated a good agreement for frequencies higher than 10⁵ rad/sec. The phase angle model was found to adequately describe unmodified binder with a small percentage of errors (less than 6%). On the other hand, the phase angle model was found unable to simulate the plateau region observed for polymer-modified binders. However, the error in this case was found to be relatively small (from zero to 10%). The ability of the models to estimate other viscoelastic functions, e.g. storage shear modulus (G'), loss shear modulus (G"), and relaxation spectrum (H(t)), was found to be adequate. / Master of Science

Este trabalho teve como objetivo avaliar as vantagens ou desvantagens de utilizar-se asfalto modificado com polímero em misturas densas com seixo rolado como agregado graúdo. Para o experimento foram moldados setenta e cinco corpos-de-prova com asfalto convencional (CAP-40) e setenta e cinco corpos-de-prova com asfalto modificado (BETUFLEX B 65/60) e avaliados à luz dos ensaios Marshall, fluência por compressão uniaxial estática à 40ºC, resistência à tração por compressão diametral e módulo de resiliência por compressão diametral à 25ºC. Os resultados dos ensaios Marshall e de resistência à tração acusaram um melhor desempenho das misturas com asfalto modificado. As relações MR/'sigma tal' encontradas para ambas as misturas sugerem, a princípio, um melhor comportamento para as misturas modificadas. Os resultados dos ensaios de fluência por compressão uniaxial estática, no que tange à deformação elástica, detectou também uma performance superior das misturas com asfalto modificado em três teores de ligante dos cinco teores analisados, entretanto, para as demais propriedades, deformação total, deformação viscoplástica e módulo de fluência as misturas com asfalto convencional sairam-se melhor. / This research intends to analyze the advantages of hot-mix asphalt mixtures composed by polymer modified binder and gravel in relation to those made with conventional binder. To achieve the objective, there were compacted seventy five specimens with conventional binder and seventy five specimens with SBS polymer modified binder (BETUFLEX B 65/60) and were performed Marshall tests, static creep (40oC) tests, indirect tensile strength tests and resilient modulus by indirect tensile (25oC) tests. The results of Marshall and tensile strength tests showed a better performance of the polymer modified asphalt mixes than that presented by the conventional asphalt ones. The results from the relation of resilient modulus by indirect tensile and indirect tensile strength tests probably showed that the modified asphalt mixes have the best performance. The elastic strains from static creep tests also showed a better performance of the polymer modified mixes in three of the five binder contents, however, the others properties from static creep tests like as total strain, viscoplastic strain and creep modulus showed that the conventional asphalt mixes have the best performance.

Este trabalho teve como objetivo avaliar as vantagens ou desvantagens de utilizar-se asfalto modificado com polímero em misturas densas com seixo rolado como agregado graúdo. Para o experimento foram moldados setenta e cinco corpos-de-prova com asfalto convencional (CAP-40) e setenta e cinco corpos-de-prova com asfalto modificado (BETUFLEX B 65/60) e avaliados à luz dos ensaios Marshall, fluência por compressão uniaxial estática à 40ºC, resistência à tração por compressão diametral e módulo de resiliência por compressão diametral à 25ºC. Os resultados dos ensaios Marshall e de resistência à tração acusaram um melhor desempenho das misturas com asfalto modificado. As relações MR/'sigma tal' encontradas para ambas as misturas sugerem, a princípio, um melhor comportamento para as misturas modificadas. Os resultados dos ensaios de fluência por compressão uniaxial estática, no que tange à deformação elástica, detectou também uma performance superior das misturas com asfalto modificado em três teores de ligante dos cinco teores analisados, entretanto, para as demais propriedades, deformação total, deformação viscoplástica e módulo de fluência as misturas com asfalto convencional sairam-se melhor. / This research intends to analyze the advantages of hot-mix asphalt mixtures composed by polymer modified binder and gravel in relation to those made with conventional binder. To achieve the objective, there were compacted seventy five specimens with conventional binder and seventy five specimens with SBS polymer modified binder (BETUFLEX B 65/60) and were performed Marshall tests, static creep (40oC) tests, indirect tensile strength tests and resilient modulus by indirect tensile (25oC) tests. The results of Marshall and tensile strength tests showed a better performance of the polymer modified asphalt mixes than that presented by the conventional asphalt ones. The results from the relation of resilient modulus by indirect tensile and indirect tensile strength tests probably showed that the modified asphalt mixes have the best performance. The elastic strains from static creep tests also showed a better performance of the polymer modified mixes in three of the five binder contents, however, the others properties from static creep tests like as total strain, viscoplastic strain and creep modulus showed that the conventional asphalt mixes have the best performance.

The current interest in energy saving asphalt production techniques is great and several new processes have been developed to reduce the mixing and compaction temperatures for hot mix asphalt. In particular, mastic asphalt products (Gussasphalt) require high working temperatures, and harder requirements concerning bitumen fumes and carbon dioxide emissions have been introduced for such products. Consequently, the need of a new means of producing and placing mastic asphalt at lower temperatures is particularly large. One way of reducing asphalt mixture temperature is by using special flow improving additives like wax. This technique has successively been tried in several studies for polymer modified mastic asphalt used for bridge decks and parking areas in Sweden. However, there still are uncertainties about possible negative impact on crack susceptibility at lower temperatures due to the addition of wax. In this study, 4% montan wax (Asphaltan A) was used for one particular polymer modified mastic asphalt product. Type and amount of wax additive was selected based on results from earlier studies. The impact on binder, binder/filler mixtures and mastic asphalt from production was tested in the laboratory, focusing on low temperature performance. The bending beam rheometer (BBR) was used for determining low temperature creep compliance and the tensile stress restrained specimen test (TSRST) for determining fracture temperatures. Binder properties were determined using dynamic mechanical analysis (DMA), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and conventional tests (softening point, penetration, elastic recovery, Fraass breaking point, viscosity and storage stability). Aging was performed using the rolling thin film oven test (RTFOT) at 200°C. As expected, the addition of wax to the polymer modified binder showed a viscosity reduction at higher temperatures, corresponding to a similar positive effect of more than 10°C on production and laying temperature for the mastic asphalt. DMA and BBR results showed some increase in stiffness and a more elastic response of the wax modified binder at medium and low temperatures. The TSRST fracture temperature was 5 °C higher for the mastic asphalt containing 4% wax, indicating however no dramatic negative impact on crack susceptibility.

Este trabalho teve por objetivo o desempenho de misturas asfálticas densas utilizando um ligante convencional (CAP-20) e o mesmo ligante modificado com polímeros tipo SBS, produzido sob o nome comercial de BETUFLEX B 65/60, através dos ensaios Marshall, fluência por compressão uniaxial estática e dinâmica, resistência à tração por compressão diametral e módulo resiliente pro compressão diametral dinâmica, em misturas compactadas com uma mesma faixa granulométrica e diferentes teores de ligantes. O ensaio Marshall apresentou, para as misturas preparadas com asfalto modificado, valores maiores de estabilidade para a maioria dos teores, apesar de valores elevados de fluência em todos os teores analisados. Os resultados de deformação do ensaio de fluência por compressão uniaxial não distinguiram claramente o efeito da adição de polímeros em misturas asfálticas, ao contrário do observado no ensaio dinâmico, onde as deformações foram consideravelmente menores para a maioria dos teores analisados. Os resultados do ensaio de resistência à tração por compressão diametral mostram um desempenho superior da mistura modificada. O ensaio de módulo resiliente por compressão diametral dinâmica indicou, à temperatura de 25ºC, valores menores para a mistura com asfalto modificado, não sendo notada, entretanto, uma diferenciação de desempenho nas temperaturas de 5ºC e 40ºC. A modelação matemática das curvas de fluência e de recuperação às equações constitutivas de alguns modelos visco-elásticos básicos detectou uma diferenciação entre os valores de alguns elementos constitutivos, tanto do ensaio dinâmico, quanto do estático. / The purpose of this study is to evaluate the performance of asphalt mixes using conventional binder and the same binder modified with SBS polymer (Betuflex B 65/60) based on Marshall test, static and dynamic creep tests, indirect tensile strength test and resilient modulus by indirect tensile test, with the same granulometric composition and different binders contents. In Marshall test, polymer modified asphalt mixes presented better stability performance than conventional asphalt mixes in most of binders contents, despite of the higher flow values obtained for all binders contents. The static creep test results indicated that this test does not clearly distinguish the effect of polymer in asphalt mixes while the results of dynamic creep test indicated the opposite, i. e., polymer modified asphalt mixes deformations are smaller for most of the asphalt binders contents studied. The indirect tensile strength test results showed a better performance of modified asphalt. The results of resilient modulus by indirect tensile test at 25°C showed smaller values for modified asphalt, while the results at 5ºC and 40ºC did not show differences between the asphalt mixes. The mathematics modelling of the creep and recovering curves according to constitutive equations of some basic visco- elastic models showed a difference between the values of some constitutive elements in both cases, dynamic and static tests.

Este trabalho teve por objetivo o desempenho de misturas asfálticas densas utilizando um ligante convencional (CAP-20) e o mesmo ligante modificado com polímeros tipo SBS, produzido sob o nome comercial de BETUFLEX B 65/60, através dos ensaios Marshall, fluência por compressão uniaxial estática e dinâmica, resistência à tração por compressão diametral e módulo resiliente pro compressão diametral dinâmica, em misturas compactadas com uma mesma faixa granulométrica e diferentes teores de ligantes. O ensaio Marshall apresentou, para as misturas preparadas com asfalto modificado, valores maiores de estabilidade para a maioria dos teores, apesar de valores elevados de fluência em todos os teores analisados. Os resultados de deformação do ensaio de fluência por compressão uniaxial não distinguiram claramente o efeito da adição de polímeros em misturas asfálticas, ao contrário do observado no ensaio dinâmico, onde as deformações foram consideravelmente menores para a maioria dos teores analisados. Os resultados do ensaio de resistência à tração por compressão diametral mostram um desempenho superior da mistura modificada. O ensaio de módulo resiliente por compressão diametral dinâmica indicou, à temperatura de 25ºC, valores menores para a mistura com asfalto modificado, não sendo notada, entretanto, uma diferenciação de desempenho nas temperaturas de 5ºC e 40ºC. A modelação matemática das curvas de fluência e de recuperação às equações constitutivas de alguns modelos visco-elásticos básicos detectou uma diferenciação entre os valores de alguns elementos constitutivos, tanto do ensaio dinâmico, quanto do estático. / The purpose of this study is to evaluate the performance of asphalt mixes using conventional binder and the same binder modified with SBS polymer (Betuflex B 65/60) based on Marshall test, static and dynamic creep tests, indirect tensile strength test and resilient modulus by indirect tensile test, with the same granulometric composition and different binders contents. In Marshall test, polymer modified asphalt mixes presented better stability performance than conventional asphalt mixes in most of binders contents, despite of the higher flow values obtained for all binders contents. The static creep test results indicated that this test does not clearly distinguish the effect of polymer in asphalt mixes while the results of dynamic creep test indicated the opposite, i. e., polymer modified asphalt mixes deformations are smaller for most of the asphalt binders contents studied. The indirect tensile strength test results showed a better performance of modified asphalt. The results of resilient modulus by indirect tensile test at 25°C showed smaller values for modified asphalt, while the results at 5ºC and 40ºC did not show differences between the asphalt mixes. The mathematics modelling of the creep and recovering curves according to constitutive equations of some basic visco- elastic models showed a difference between the values of some constitutive elements in both cases, dynamic and static tests.

Trata-se de uma investigação sobre a influência de alguns fatores no comportamento mecânico de misturas asfálticas densas quanto à estabilidade e à flexibilidade. Foram testados três tipos de ligantes, asfalto convencional, modificado com 4,5% de SBS e modificado com 20% de borracha reciclada de pneu; duas distribuições granulométricas do agregado, centros das faixas B e C do DNER (1997); quatro teores de ligante, escolhidos com base nos valores de volumes de vazios e espessuras de película almejados; três condições de envelhecimento a longo prazo, mistura não envelhecida, envelhecida em estufa ventilada a 85ºC por 5 dias e envelhecida por exposição ao tempo por 4 meses; e duas condições de envelhecimento a curto prazo, mistura não envelhecida e envelhecida em estufa ventilada a 135ºC por 4 horas. A técnica de planejamento e análise de experimentos fatoriais fracionários assimétricos foi utilizada para a consideração simultânea dos fatores citados. O comportamento mecânico das misturas foi avaliado através dos ensaios de resistência à tração, módulo de resiliência e fluência por compressão uniaxial estática e dinâmica. A análise de variância dos resultados permitiu a identificação dos fatores com influência significativa nas respostas dos ensaios. O modo como cada fator interferiu nas propriedades apresentadas pelas misturas foi estabelecido através da construção de modelos estatísticos de comportamento. Os resultados mostraram que a adição de modificadores ao asfalto melhora a resistência das misturas à fadiga e à deformação permanente. Os processos de envelhecimento aumentaram os módulos de resiliência das misturas mas diminuíram sua capacidade de recuperação elástica, o que significa queda de resistência à fadiga. Por outro lado, a resistência a deformações permanentes das misturas, inclusive daquelas compostas por asfaltos modificados, aumentou com o envelhecimento. / This work deals with the influence of some factors in the mechanical behavior of asphalt mixtures stability and flexibility. Three types of binders were tested, conventional one, modified with 4,5% of SBS and modified with 20% of recycled tire rubber. Two aggregate gradations were tested, center of B and C gradations of DNER (1997). Four binder contents were chosen based on the air voids and film thickness. Three types of long-term aging were tested, not aged, aged in a forced-draft oven for 5 days at 85ºC and aged through weather exposition for the period of 4 months. Two types of short-term aging were tested; not aged and aged in a forced-draft oven for 4 hours at 135ºC. The technique of design and analysis of asymmetric fractional factorial experiments was used for the simultaneous analysis of the factors. The mechanical behavior of the mixtures was evaluated based on indirect tensile strength test, resilient modulus test and static and dynamic creep tests. The results of the analysis of variance allowed the identification of factors with significant influence in the answers. The influence of the factors in the mixtures properties was established through statistical models of behavior. The results showed that modified binders improves the mixtures resistance in relation to fatigue and to permanent deformation. The aging processes increased the resilient modulus of the mixtures, but also decreased its capacity of elastic return, resulting in a lost of fatigue resistance. On the other hand, the permanent deformation resistance of the aging mixtures increased, including the mixtures with modified binders cases.

Trata-se de uma investigação sobre a influência de alguns fatores no comportamento mecânico de misturas asfálticas densas quanto à estabilidade e à flexibilidade. Foram testados três tipos de ligantes, asfalto convencional, modificado com 4,5% de SBS e modificado com 20% de borracha reciclada de pneu; duas distribuições granulométricas do agregado, centros das faixas B e C do DNER (1997); quatro teores de ligante, escolhidos com base nos valores de volumes de vazios e espessuras de película almejados; três condições de envelhecimento a longo prazo, mistura não envelhecida, envelhecida em estufa ventilada a 85ºC por 5 dias e envelhecida por exposição ao tempo por 4 meses; e duas condições de envelhecimento a curto prazo, mistura não envelhecida e envelhecida em estufa ventilada a 135ºC por 4 horas. A técnica de planejamento e análise de experimentos fatoriais fracionários assimétricos foi utilizada para a consideração simultânea dos fatores citados. O comportamento mecânico das misturas foi avaliado através dos ensaios de resistência à tração, módulo de resiliência e fluência por compressão uniaxial estática e dinâmica. A análise de variância dos resultados permitiu a identificação dos fatores com influência significativa nas respostas dos ensaios. O modo como cada fator interferiu nas propriedades apresentadas pelas misturas foi estabelecido através da construção de modelos estatísticos de comportamento. Os resultados mostraram que a adição de modificadores ao asfalto melhora a resistência das misturas à fadiga e à deformação permanente. Os processos de envelhecimento aumentaram os módulos de resiliência das misturas mas diminuíram sua capacidade de recuperação elástica, o que significa queda de resistência à fadiga. Por outro lado, a resistência a deformações permanentes das misturas, inclusive daquelas compostas por asfaltos modificados, aumentou com o envelhecimento. / This work deals with the influence of some factors in the mechanical behavior of asphalt mixtures stability and flexibility. Three types of binders were tested, conventional one, modified with 4,5% of SBS and modified with 20% of recycled tire rubber. Two aggregate gradations were tested, center of B and C gradations of DNER (1997). Four binder contents were chosen based on the air voids and film thickness. Three types of long-term aging were tested, not aged, aged in a forced-draft oven for 5 days at 85ºC and aged through weather exposition for the period of 4 months. Two types of short-term aging were tested; not aged and aged in a forced-draft oven for 4 hours at 135ºC. The technique of design and analysis of asymmetric fractional factorial experiments was used for the simultaneous analysis of the factors. The mechanical behavior of the mixtures was evaluated based on indirect tensile strength test, resilient modulus test and static and dynamic creep tests. The results of the analysis of variance allowed the identification of factors with significant influence in the answers. The influence of the factors in the mixtures properties was established through statistical models of behavior. The results showed that modified binders improves the mixtures resistance in relation to fatigue and to permanent deformation. The aging processes increased the resilient modulus of the mixtures, but also decreased its capacity of elastic return, resulting in a lost of fatigue resistance. On the other hand, the permanent deformation resistance of the aging mixtures increased, including the mixtures with modified binders cases.