Performance evaluation of asphalt pavements using the Incremental-Recursive procedure of the Mechanistic-Empirical design software CalME

Il concetto di “sostenibilità” si riferisce allo sviluppo dei sistemi umani attraverso il più piccolo impatto possibile sul sistema ambientale. Le opere che si inseriscono bene nel contesto ambientale circostante e le pratiche che rispettano le risorse in maniera tale da permettere una crescita e uno sviluppo a lungo termine senza impattare sull’ambiente sono indispensabili in una società moderna. I progressi passati, presenti e futuri che hanno reso i conglomerati bituminosi materiali sostenibili dal punto di vista ambientale sono particolarmente importanti data la grande quantità di conglomerato usato annualmente in Europa e negli Stati Uniti. I produttori di bitume e di conglomerato bituminoso stanno sviluppando tecniche innovative per ridurre l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” (WMA), pur sviluppando le stesse caratteristiche meccaniche, richiede un temperatura di produzione minore rispetto a quella di un tradizionale conglomerato bituminoso a caldo (HMA). L’abbassamento della temperature di produzione riduce le emissioni nocive. Questo migliora le condizioni dei lavoratori ed è orientato verso uno sviluppo sostenibile. L’obbiettivo principale di questa tesi di laurea è quello di dimostrare il duplice valore sia dal punto di vista dell’eco-compatibilità sia dal punto di vista meccanico di questi conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità”. In particolare in questa tesi di laurea è stato studiato uno SMA ad “alta lavorabilità” (PGGWMA). L’uso di materiali a basso impatto ambientale è la prima fase verso un progetto ecocompatibile ma non può che essere il punto di partenza. L’approccio ecocompatibile deve essere esteso anche ai metodi di progetto e alla caratterizzazione di laboratorio dei materiali perché solo in questo modo è possibile ricavare le massime potenzialità dai materiali usati. Un’appropriata caratterizzazione del conglomerato bituminoso è fondamentale e necessaria per una realistica previsione delle performance di una pavimentazione stradale. La caratterizzazione volumetrica (Mix Design) e meccanica (Deformazioni Permanenti e Comportamento a fatica) di un conglomerato bituminoso è una fase importante. Inoltre, al fine di utilizzare correttamente i materiali, un metodo di progetto avanzato ed efficiente, come quello rappresentato da un approccio Empirico-Meccanicistico (ME), deve essere utilizzato. Una procedura di progetto Empirico-Meccanicistica consiste di un modello strutturale capace di prevedere gli stati di tensione e deformazione all’interno della pavimentazione sotto l’azione del traffico e in funzione delle condizioni atmosferiche e di modelli empirici, calibrati sul comportamento dei materiali, che collegano la risposta strutturale alle performance della pavimentazione. Nel 1996 in California, per poter effettivamente sfruttare i benefici dei continui progressi nel campo delle pavimentazioni stradali, fu iniziato un estensivo progetto di ricerca mirato allo sviluppo dei metodi di progetto Empirico - Meccanicistici per le pavimentazioni stradali. Il risultato finale fu la prima versione del software CalME che fornisce all’utente tre approcci diversi di l’analisi e progetto: un approccio Empirico, uno Empirico - Meccanicistico classico e un approccio Empirico - Meccanicistico Incrementale - Ricorsivo. Questo tesi di laurea si concentra sulla procedura Incrementale - Ricorsiva del software CalME, basata su modelli di danno per quanto riguarda la fatica e l’accumulo di deformazioni di taglio dai quali dipendono rispettivamente la fessurazione superficiale e le deformazioni permanenti nella pavimentazione. Tale procedura funziona per incrementi temporali successivi e, usando i risultati di ogni incremento temporale, ricorsivamente, come input dell’incremento temporale successivo, prevede le condizioni di una pavimentazione stradale per quanto riguarda il modulo complesso dei diversi strati, le fessurazioni superficiali dovute alla fatica, le deformazioni permanenti e la rugosità superficiale. Al fine di verificare le propreità meccaniche del PGGWMA e le reciproche relazioni in termini di danno a fatica e deformazioni permanenti tra strato superficiale e struttura della pavimentazione per fissate condizioni ambientali e di traffico, è stata usata la procedura Incrementale – Ricorsiva del software CalME. Il conglomerato bituminoso studiato (PGGWMA) è stato usato in una pavimentazione stradale come strato superficiale di 60 mm di spessore. Le performance della pavimentazione sono state confrontate a quelle della stessa pavimentazione in cui altri tipi di conglomerato bituminoso sono stati usati come strato superficiale. I tre tipi di conglomerato bituminoso usati come termini di paragone sono stati: un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” con granulometria “chiusa” non modificato (DGWMA), un conglomerato bituminoso modificato con polverino di gomma con granulometria “aperta” (GGRAC) e un conglomerato bituminoso non modificato con granulometria “chiusa” (DGAC). Nel Capitolo I è stato introdotto il problema del progetto ecocompatibile delle pavimentazioni stradali. I materiali a basso impatto ambientale come i conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità” e i conglomerati bituminosi modificati con polverino di gomma sono stati descritti in dettaglio. Inoltre è stata discussa l’importanza della caratterizzazione di laboratorio dei materiali e il valore di un metodo razionale di progetto delle pavimentazioni stradali. Nel Capitolo II sono stati descritti i diversi approcci progettuali utilizzabili con il CalME e in particolare è stata spiegata la procedura Incrementale – Ricorsiva. Nel Capitolo III sono state studiate le proprietà volumetriche e meccaniche del PGGWMA. Test di Fatica e di Deformazioni Permanenti, eseguiti rispettivamente con la macchina a fatica per flessione su quattro punti e il Simple Shear Test device (macchina di taglio semplice), sono stati effettuati su provini di conglomerato bituminoso e i risultati dei test sono stati riassunti. Attraverso questi dati di laboratorio, i parametri dei modelli della Master Curve, del danno a fatica e dell’accumulo di deformazioni di taglio usati nella procedura Incrementale – Ricorsiva del CalME sono stati valutati. Infine, nel Capitolo IV, sono stati presentati i risultati delle simulazioni di pavimentazioni stradali con diversi strati superficiali. Per ogni pavimentazione sono stati analizzati la fessurazione superficiale complessiva, le deformazioni permanenti complessive, il danno a fatica e la profondità delle deformazioni in ognuno degli stati legati.

Laboratory verification of predicted permanent deformation in asphalt materials following climate change.

In the past a change in temperature of 5°C most often occurred over intervals of thousands of years. According to estimates by the IPCC, in the XXI century is expected an increase in average temperatures in Europe between 1.8 and 4.0°C in the best case caused by emissions of carbon dioxide and other GHG from human activities. As well as on the environment and economic context, global warming will have effects even on road safety. Several studies have already shown how increasing temperature may cause a worsening of some types of road surface damages, especially rutting, a permanent deformation of the road structures consisting in the formation of a longitudinal depression in the wheelpath, mostly due to the rheological behavior of bitumen. This deformation evolves during the hot season because of the heating capacity of the asphalt layers, in fact, the road surface temperature is up to 24°C higher than air. In this thesis, through the use of Wheeltrack test, it was studied the behavior of some types of asphalt concrete mixtures subjected to fatigue testing at different temperatures. The objectives of this study are: to determine the strain variation of different bituminous mixture subjected to fatigue testing at different temperature conditions; to investigate the effect of aggregates, bitumen and mixtures’ characteristics on rutting. Samples were made in the laboratory mostly using an already prepared mixtures, the others preparing the asphalt concrete from the grading curve and bitumen content. The same procedure was performed for each specimen: preparation, compaction using the roller compactor, cooling and heating before the test. The tests were carried out at 40 - 50 - 60°C in order to obtain the evolution of deformation with temperature variation, except some mixtures for which the tests were carried out only at 50°C. In the elaboration of the results were considered testing parameters, component properties and the characteristics of the mixture. Among the testing parameters, temperature was varied for each sample. The mixtures responded to this variation with a different behavior (linear logarithmic and exponential) not directly correlated with the asphalt characteristics; the others parameters as load, passage frequency and test condition were kept constant. According to the results obtained, the main contribution to deformation is due to the type of binder used, it was found that the modified bitumen have a better response than the same mixtures containing traditional bitumen; to the porosity which affects negatively the behavior of the samples and to the homogeneity ceteris paribus. The granulometric composition did not seem to have interfered with the results. Overall has emerged at working temperature, a decisive importance of bitumen composition, than the other characteristics of the mixture, that tends to disappear with heating in favor of increased dependence of rutting resistance from the granulometric composition of the sample considered. In particular it is essential, rather than the mechanical characteristics of the binder, its chemical properties given by the polymeric modification. To confirm some considered results, the maximum bulk density and the air voids content were determined. Tests have been conducted in the laboratories of the Civil Engineering Department at NTNU in Trondheim according to European Standards.

Investigation on performance characteristics of dense graded hot mix asphalt with RAP and Crumb Rubber

The use of recycled materials in asphalt mixtures such as reclaimed asphalt pavements (RAP) have become widely accepted as a replacement for virgin asphalt binder or virgin aggregates. In this study, the RAP content was 30%, and CR additives were blended with the soft unmodified binder by using dry processes. The objective of this study was to investigate and evaluate the engineering properties of dry method application of crumb rubber influences on reclaimed asphalt pavement (RAP) mixtures. To evaluate the effect of rubber-bitumen interaction on the mixture’s mechanical properties, a laboratory investigation has been conducted on a range of dense graded and 30% RAP by dry process crumb rubber modified (CRM) asphalt mixtures containing 0% (control), 1% crumb rubber by the total aggregate mass. The experimental program in this research include the binder extraction for estimating the amount of aged binder in the both fine and coarse RAP material. Before extracting the binder the RAP sieve analysis, have been done to provide the Black grading curve. In continue after the binder extraction the material sieved again to providing the white curve. The comparison of Black and White curve indicated that there is a remarkable difference between the aggregate grading even for the fine RAP. The experimental program was continued by fabricating 12 specimens in different 4 types of mixtures. For the first group no RAP, no rejuvenator and no crumb rubber were used. For the second group 30% of virgin aggregates substituted by RAP material and the third group was similar to the second group just with 0.01% rejuvenator. the forth group was the group, which in that the specimens contain RAP, rejuvenator and crumb rubber. Finally the specimens were tested for Indirect tensile strength. The results indicated that the addition of crumb rubber increased the optimum amount of binder in the mixture with 30% RAP.

Investigation on performance characteristics of dense graded hot mix asphalt with RAP and crumb rubber

The objective of this study was to fundamentally characterize the laboratory performance of traditional hot mix asphalt (HMA) mixtures incorporating high RAP content and waste tire crumb rubber through their fundamental engineering properties. The nominal maximum aggregates size was chosen for this research was 12mm (considering the limitation of aggregate size for surface layer) and both coarse and fine aggregates are commonly used in Italy that were examined and analyzed in this study. On the other hand, the RAP plays an important role in reducing production costs and enhancing the environmentally sustainable pavements instead of using virgin materials in HMA. Particularly, this study has aimed to use 30% of RAP content (25% fine aggregate RAP and 5% coarse aggregate RAP) and 1% of CR additives by the total weight of aggregates for mix design. The mixture of aggregates, RAP and CR were blended with different amount of unmodified binder through dry processes. Generally, the main purposes of this study were investigating on capability of using RAP and CR in dense graded HMA and comparing the performance of rejuvenator in RAP with CR. In addition, based on the engineering analyses during the study, we were able compare the fundamental Indirect Tensile Strength (ITS) value of dense graded HMA and also mechanical characteristics in terms of Indirect Tensile Stiffness Modulus (ITSM). In order to get an extended comparable data, four groups of different mixtures such as conventional mixture with only virgin aggregates (DV), mixture with RAP (DR), mixture with RAP and rejuvenator (DRR), and mixture with RAP, rejuvenator, CR (DRRCr) were investigated in this research experimentally. Finally, the results of those tests indicated that the mixtures with RAP and CR had the high stiffness and less thermal sensitivity, while the mixture with virgin aggregates only had very low values in comparison.

Rheological Characterization of Bitumen and Asphalt including the effect of Added-recycled Material

This thesis evaluates the rheological behaviour of asphalt mixtures and the corresponding extracted binders from the mixtures containing different amounts of Reclaimed Asphalt (RA). Generally, the use of RA is limited to certain amounts. The study materials are Stone Mastic Asphalts including a control sample with 0% RA, and other samples with RA rates of 30%, 60% and 100%. Another set of studied mixtures are Asphalt Concretes (AC) types with again a control mix having 0% RA rate and the other mixtures designs containing 30%, 60% and 90% of reclaimed asphalt which also contain additives. In addition to the bitumen samples extracted from asphalt mixes, there are bitumen samples directly extracted from the original RA. To characterize the viscoelastic behaviour of the binders, Dynamic Shear Rheometer (DSR) tests were conducted on bitumen specimens. The resulting influence of the RA content in the bituminous binders are illustrated through master curves, black diagrams and Cole-Cole plots with regressing these experimental data by the application of the analogical 2S2P1D and the analytical CA model. The advantage of the CA model is in its limited number of parameters and thus is a simple model to use. The 2S2P1D model is an analogical rheological model for the prediction of the linear viscoelastic properties of both asphalt binders and mixtures. In order to study the influence of RA on mixtures, the Indirect Tensile Test (ITT) has been conducted. The master curves of different mixture samples are evaluated by regressing the test data points to a sigmoidal function and subsequently by comparing the master curves, the influence of RA materials is studied. The thesis also focusses on the applicability and also differences of CA model and 2S2P1D model for bitumen samples and the sigmoid function for the mixtures and presents the influence of the RA rate on the investigated model parameters.

Innovative Infrastructures for Sustainable Mobility in Urban Areas: Protective Asphalt to Prevent Vulnerable Road Users Injuries.

Nell’elaborato viene studiato il fenomeno dell’incidentalità singola delle utenze deboli sulla strada (perdita di controllo, scivolamento ecc..ecc..), con particolare enfasi nell’analizzare le conseguenze traumatiche dovute all’impatto con la superficie stradale. Una nuova tecnologia viene sviluppata per rendere le pavimentazioni di piste ciclabili, marciapiedi e zone pedonali con capacità di assorbimento degli impatti, prevenendo, o riducendo drasticamente, la probabilità e entità di eventi traumatici a seguito di una caduta. Attraverso una stesa di prova avvenuta ad Imola (BO), si sono analizzate e risolte le problematiche dovute alle discrepanze riscontrate fra “costruzione” in laboratorio e costruzione nella realtà urbana. La nuova tecnologia, infatti, è stata studiata come “construction-friendly”, permettendo alle società di costruzione e pavimentazione di stendere il nuovo manto protettivo con strumenti e macchinari tradizionali. Infine l’asfalto modificato è stato testato nei laboratori svedesi del KTH – Royal Institute of Technology per provarne l’efficacia in termini di assorbimento degli impatti. Nel “Drop Impact Test”, test specifico per l’approvazione dei caschi protettivi da bicicletta, l’asfalto modificato ha performato ben al di sotto della soglia di approvazione dei caschi da ciclista, e si colloca in un range di valore di accelerazione lineare perfino al di sotto della soglia di “Low Risk of Injuries”. La nuova tecnologia, inoltre, fa utilizzo di gomma granulata riciclata da pneumatici fuori uso. Tale dettaglio conferisce maggiore sostenibilità al progetto: oltre all’utilizzo di legante a freddo, che diminuisce le emissioni di CO2, e di incentivare l’utilizzo della mobilità dolce attraverso una più sicura rete infrastrutturale, l’utilizzo di gomma riciclata dà nuova vita al materiale che altrimenti andrebbe in discarica e prolunga, così, la vita utile del materiale.

Analisys of gas permeability in perfluorosufonated polymeric membranes for CO2 separation

The present thesis focuses on the permebility analisys of Aquivion® 980 Perfluoro sulfonic acid (PFSA) polymer with particular reference to the influence of the equivalent weight (gram of polymer per molSO3H) on the permeation properties. Aquivion grade tested, indeed, were characterized by a lower equivalent weight ( 870 g/molSO3H against 980 of the present material) with respect to data present in the open literature. Permeability of different gases (CO2, N2, and CH4) was tested at different temperatures and different humidity, a parameter which greatly influences the gas transport in such hydrophilic material- Aquivion® swells consistently in humid conditions increasing its gas permeability of more than one order of magnitude with respect to values prevailing in dry conditions. Present data confirm such behavior being the permeability of all gases and vapors tested substantially increased in presence of water. Interestingly the increase in permeability results be similar for all the gases inspected, hence such enhanced permeation capability is not associated to a selectivity loss that happens in polymeric membranes. Although, the results, of CO2, are lower compared to those obtained with the different grades, with lower equivalent weight, of Aquivion, thus suggesting that an increase of this parameter is detrimental for both permeability and selectivity of the membranes with respect to CO2. This is likely related to the fact that a lower content of SO3H groups makes it difficult to have an interconnected water domain inside the membranes. A modeling approach was considered to describe the experimental data and to give a better insight into the observed behavior, unfortunately, it resulted not sensitive enough to catch the differences between the gas permeability in PSFAs with high and low equivalent weight. The latter were indeed usually contained within 10-20% which results to be the in the same range of model precision when used in a predictive way.