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.

Study of recycled Rap and Ra as alternative aggregates for pavements' sub-base and base

Nowadays, an important world’s population growth forecast establish that an increase of 2 billion people is expected by 2050. (UN,2019). This increment of people worldwide involves more humans, as well as growth of the demand for the construction of new residential, institutional, industrial, and infrastructural areas, prompting to a higher consumption of natural resources as required for construction materials. In addition, an effect of this population growth is the production and accumulation of waste causing a serious environmental and economic issue around the world. As an alternative to just producing more waste at the final stage of a building, house, road, among other concrete-based structures, adequate techniques must be applied for recycling and reusing these potential materials. The main priority of the thesis is to foment and evaluate the sustainable construction work leading to environmental-friendly actions that promote the reuse and recycling of construction waste, focusing on the use of construction recycled construction materials as an alternative for sub-base and base of road structure application. This thesis is committed to the analysis of the several laboratory tests carried out for achieving the physical-mechanical properties of the studied materials (recycled concrete aggregates + reclaimed asphalt pavement (RCA+RAP) and stabilized crushed sleepers). All these tests have been carried out in the Laboratory of Roads from the University of Bologna and in the experimental site in CAR srl., at Imola. The results are reported in tables, graphs, and are discussed. The mechanical properties values obtained from the laboratory tests are analysed and compared with standard values declared in the Italian and European normative for roads construction and to the results obtained from in-situ tests in the experimentation field (CAR srl in Imola) with the same materials. This to analyse the performance of them under natural conditions.

Light coloured and draining wearing courses for low-impact urban pavements

Urban health and well-being are becoming current issues of modern cities due to local climate change and environmental noise. The Urban Heat Island and the Urban Noise Island have a direct impact on the economic, social, and environmental aspects of urban life, negatively affecting the well-being of worldwide citizens. The present research is focused on the study of innovative materials employed in the production of wearing course mixtures aiming to mitigate these phenomena. In particular, a synthetic transparent binder substituting bitumen and recycled aggregates produced from construction and demolition waste. Four mixtures were analysed. Among them, Mix 1 and Mix 2 are conventional wearing courses. The first is exclusively made of natural aggregates, while the second is constituted of 45 % of recycled aggregates (RA). Mix 3 and Mix 4 are draining wearing courses and, in this case, Mix 4 was produced by using 55 % of RA. Laboratory tests were required to fully characterize all the produced samples, allowing a proper comparison of results. Overall, all the mixtures studied provide prominent results suggesting potential applications of these innovative wearing courses in cycle lanes, historical centres, plazas, and parking lots. Among the conventional mixtures, Mix 2 is the most likely to assure the best performance in terms of road safety, efficiency, and durability while as far as the draining mixtures are concerned, Mix 4 is preferable due to its high content of recycled aggregates.

Laboratory study of grouted macadams impregnated with mine waste geopolymeric binder

A new type of pavement has been gaining popularity over the last few years in Europe. It comprises a surface course with a semi-flexible material that provides significant advantages in comparison to both concrete and conventional asphalt, having both rut resistance and a degree of flexibility. It also provides good protection against the ingress of water to the foundation, since it has an impermeable surface. The semi-flexible material, generally known as grouted macadam, comprises an open-graded asphalt skeleton with 25% to 35% voids into which a cementitious slurry is grouted. This hybrid mixture provides good rut resistance and a surface highly resistant to fuel and oil spillage. Such properties allow it to be used in industrial areas, airports and harbours, where those situations are frequently associated with heavy and slow traffic. Grouted Macadams constitute a poorly understood branch of pavement technology and have generally been relegated to a role in certain specialist pavements whose performance is predicted on purely empirical evidence. Therefore, the main objectives of this project were related to better understanding the properties of this type of material, in order to predict its performance more realistically and to design pavements incorporating grouted macadam more accurately. Based on a standard mix design, several variables were studied during this project in order to characterise the behaviour of Grouted Macadams in general, and the influence of those variables on the fundamental properties of the final mixture. In this research project, one approach was used to the design of pavements incorporating Grouted Macadams: a traditional design method, based on laboratory determined of the stiffness modulus and the compressive strength.

Operational Modal Analysis: the CEME Skywalk at UBC, Vancouver

Slender and lighter footbridges are becoming more and more popular to meet the transportation demand and the aesthetical requirements of the modern society. The widespread presence of such particular structures has become possible thanks to the availability of new, lightweight and still capable of carrying heavy loads material . Therefore, these kind of structure, are particularly sensitive to vibration serviceability problems, especially induced by human activities. As a consequence, it has been imperative to study the dynamic behaviour of such slender pedestrian bridges in order to define their modal characteristics. As an alternative to a Finite Element Analysis to find natural frequencies, damping and mode shape, a so-called Operational Modal Analysis is a valid tool to obtain these parameters through an ambient vibration test. This work provides a useful insight into the Operational Modal Analysis technique and It reports the investigation of the CEME Skywalk, a pedestrian bridge located at the University of British Columbia, in Vancouver, Canada. Furthermore, human-induced vibration tests have been performed and the dynamic characteristics derived with these tests have been compared with the ones from the ambient vibration tests. The effect of the dynamic properties of the two buildings supporting the CEME Skywalk on the dynamic behaviour of the bridge has been also investigated.

The role of paved surfaces in the Urban Heat Island phenomenon: Assessment of fundamental thermal parameters and finite element analysis for UHI mitigation

Nowadays the environmental issues and the climatic change play fundamental roles in the design of urban spaces. Our cities are growing in size, many times only following immediate needs without a long-term vision. Consequently, the sustainable development has become not only an ethical but also a strategic need: we can no longer afford an uncontrolled urban expansion. One serious effect of the territory industrialisation process is the increase of urban air and surfaces temperatures compared to the outlying rural surroundings. This difference in temperature is what constitutes an urban heat island (UHI). The purpose of this study is to provide a clarification on the role of urban surfacing materials in the thermal dynamics of an urban space, resulting in useful indications and advices in mitigating UHI. With this aim, 4 coloured concrete bricks were tested, measuring their emissivity and building up their heat release curves using infrared thermography. Two emissivity evaluation procedures were carried out and subsequently put in comparison. Samples performances were assessed, and the influence of the colour on the thermal behaviour was investigated. In addition, some external pavements were analysed. Albedo and emissivity parameters were evaluated in order to understand their thermal behaviour in different conditions. Surfaces temperatures were recorded in a one-day measurements campaign. ENVI-met software was used to simulate how the tested materials would behave in two typical urban scenarios: a urban canyon and a urban heat basin. Improvements they can carry to the urban microclimate were investigated. Emissivities obtained for the bricks ranged between 0.92 and 0.97, suggesting a limited influence of the colour on this parameter. Nonetheless, white concrete brick showed the best thermal performance, whilst the black one the worst; red and yellow ones performed pretty identical intermediate trends. De facto, colours affected the overall thermal behaviour. Emissivity parameter was measured in the outdoor work, getting (as expected) high values for the asphalts. Albedo measurements, conducted with a sunshine pyranometer, proved the improving effect given by the yellow paint in terms of solar reflection, and the bad influence of haze on the measurement accuracy. ENVI-met simulations gave a demonstration on the effectiveness in thermal improving of some tested materials. In particular, results showed good performances for white bricks and granite in the heat basin scenario, and painted concrete and macadam in the urban canyon scenario. These materials can be considered valuable solutions in UHI mitigation.

Progettazione di pavimentazioni portuali

L’oggetto di studio della tesi è centrato sulla progettazione di pavimentazioni ad alta resistenza nell’ambito dei porti commerciali. Nel capitolo 1, viene effettuata una descrizione delle caratteristiche principali dei porti, proseguendo con l’esposizione dei principi organizzativi dei porti commerciali. In particolar modo, vengono illustrate le operazioni che si registrano in un terminal container e le proprietà dei diversi mezzi speciali che vi operano. Nel capitolo successivo, si procede con la definizione dei materiali più comunemente utilizzati nella realizzazione delle pavimentazioni di un porto e quindi con la descrizione delle principali tipologie di soluzioni adottate nella progettazione. Successivamente, nel capitolo 3, vengono enunciati i principali metodi di calcolo per la progettazione di una pavimentazione portuale e si prosegue con l’approfondimento del metodo descritto dal manuale pubblicato dalla British Ports Association (BPA):”The structural design of heavy duty pavements for ports and other industries”. Infine, nell’ultimo capitolo, viene illustrato il processo di progettazione in base al metodo BPA, mediante lo svolgimento di un esempio di calcolo della pavimentazione.

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.

Utilizzo di sensori a basso costo per la localizzazione indoor

I sistemi di localizzazione, negli ultimi anni, sono stati oggetto di numerose ricerche a livello internazionale.Gli sviluppi più importanti hanno avuto inizio nell’ambito stradale con sistemi di navigazione e localizzazione, possibili grazie alle forti capacità del GPS.Infatti il GPS indica l’intero apparato che permette il funzionamento della maggior parte dei navigatori disponibili in commercio, che, però, non sono utilizzabili in ambito indoor, in quanto la ricezione del segnale proveniente dai satelliti GPS diventa scarsa o pressoché nulla. In questo senso, la localizzazione risulta rilevante nel caso di indoor positioning, ossia quando utenti hanno bisogno di conoscere la propria posizione e quella degli altri membri della squadra di soccorso all’interno di un edificio come, ad esempio, i vigili del fuoco durante un’operazione di salvataggio. Sono questi fattori che portano all’idea della creazione di un sistema di localizzazione indoor basato su smartphone o una qualsiasi altra piattaforma disponibile. Tra le diverse tecnologie e architetture legate al posizionamento indoor/outdoor e inerziale, con questa tesi, si vuole esporre la foot-mounted inertial navigation, un sistema che permette di conoscere la propria posizione, sia all’interno di edifici,sia in campi aperti, tramite l’utilizzo di una rete wireless o GPS e l’aiuto di sensori a basso costo.Tuttavia per conoscere la stima ottimale della posizione, della velocità e dell’orientamento corrente di un utente dotato di sensori sarà necessaria l’integrazione di diversi algoritmi, che permettono di modellare e stimare errori o di conoscere e predire la posizione futura dello stesso. Gli scopi principali di questo lavoro sono: 1)Tracciare i movimenti di un utente usando diversi sensori per ottenere una stima ottimale della posizione dello stesso; 2)Localizzare l’utente in 3 dimensioni con precisione; 3)Ottenere una transizione senza interruzioni per un posizionamento continuo tra aree indoor e outdoor;