Development of a Wireless MEMS Multifunction Sensor System and Field Demonstration of Embedded Sensors for Monitoring Concrete Pavements, TR-637, 2016

Pavements tend to deteriorate with time under repeated traffic and/or environmental loading. By detecting pavement distresses and damage early enough, it is possible for transportation agencies to develop more effective pavement maintenance and rehabilitation programs and thereby achieve significant cost and time savings. The structural health monitoring (SHM) concept can be considered as a systematic method for assessing the structural state of pavement infrastructure systems and documenting their condition. Over the past several years, this process has traditionally been accomplished through the use of wired sensors embedded in bridge and highway pavement. However, the use of wired sensors has limitations for long-term SHM and presents other associated cost and safety concerns. Recently, micro-electromechanical sensors and systems (MEMS) and nano-electromechanical systems (NEMS) have emerged as advanced/smart-sensing technologies with potential for cost-effective and long-term SHM. This two-pronged study evaluated the performance of commercial off-the-shelf (COTS) MEMS sensors embedded in concrete pavement (Final Report Volume I) and developed a wireless MEMS multifunctional sensor system for health monitoring of concrete pavement (Final Report Volume II).

THE PERFORMANCE AND MODIFICATION OF RECYCLED ELECTRONIC WASTE PLASTICS FOR THE IMPROVEMENT OF ASPHALT PAVEMENT MATERIALS

Bulk electric waste plastics were recycled and reduced in size into plastic chips before pulverization or cryogenic grinding into powders. Two major types of electronic waste plastics were used in this investigation: acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and high impact polystyrene (HIPS). This research investigation utilized two approaches for incorporating electronic waste plastics into asphalt pavement materials. The first approach was blending and integrating recycled and processed electronic waste powders directly into asphalt mixtures and binders; and the second approach was to chemically treat recycled and processed electronic waste powders with hydro-peroxide before blending into asphalt mixtures and binders. The chemical treatment of electronic waste (e-waste) powders was intended to strengthen molecular bonding between e-waste plastics and asphalt binders for improved low and high temperature performance. Superpave asphalt binder and mixture testing techniques were conducted to determine the rheological and mechanical performance of the e-waste modified asphalt binders and mixtures. This investigation included a limited emissions-performance assessment to compare electronic waste modified asphalt pavement mixture emissions using SimaPro and performance using MEPDG software. Carbon dioxide emissions for e-waste modified pavement mixtures were compared with conventional asphalt pavement mixtures using SimaPro. MEPDG analysis was used to determine rutting potential between the various e-waste modified pavement mixtures and the control asphalt mixture. The results from this investigation showed the following: treating the electronic waste plastics delayed the onset of tertiary flow for electronic waste mixtures, electronic waste mixtures showed some improvement in dynamic modulus results at low temperatures versus the control mixture, and tensile strength ratio values for treated e-waste asphalt mixtures were improved versus the control mixture.

INVESTIGATIVE COMPARISON OF TANK AND RECOVERED ASPHALT SAMPLES THROUGH PHYSICAL PERFORMANCE TESTING AND CHEMICAL ANALYSIS

Despite the development of improved performance test protocols by renowned researchers, there are still road networks which experience premature cracking and failure. One area of major concern in asphalt science and technology, especially in cold regions in Canada is thermal (low temperature) cracking. Usually right after winter periods, severe cracks are seen on poorly designed road networks. Quality assurance tests based on improved asphalt performance protocols have been implemented by government agencies to ensure that roads being constructed are at the required standard but asphalt binders that pass these quality assurance tests still crack prematurely. While it would be easy to question the competence of the quality assurance test protocols, it should be noted that performance tests which are being used and were repeated in this study, namely the extended bending beam rheometer (EBBR) test, double edge-notched tension test (DENT), dynamic shear rheometer (DSR) test and X-ray fluorescence (XRF) analysis have all been verified and proven to successfully predict asphalt pavement behaviour in the field. Hence this study looked to probe and test the quality and authenticity of the asphalt binders being used for road paving. This study covered thermal cracking and physical hardening phenomenon by comparing results from testing asphalt binder samples obtained from the storage ‘tank’ prior to paving (tank samples) and recovered samples for the same contracts with aim of explaining why asphalt binders that have passed quality assurance tests are still prone to fail prematurely. The study also attempted to find out if the short testing time and automated procedure of torsion bar experiments can replace the established but tedious procedure of the EBBR. In the end, it was discovered that significant differences in performance and composition exist between tank and recovered samples for the same contracts. Torsion bar experimental data also indicated some promise in predicting physical hardening.

High friction and acoustic surface for pavements: development of artificial engineered aggregates from recycled powders

There is a constant need to improve the infrastructure's quality and build new infrastructure with better designs. The risk of accidents and noise can be reduced by improving the surface properties of the pavement. The amount of raw material used in road construction is worrisome, as it is finite and due the waste produced. Environmentally-friendly roads construction, recycling might be the main way. Projects must be more environmentally-friendly, safer, and quieter. Is it possible to develop a safer, quieter and environmentally-friendly pavement surfaces? The hypothesis is: is it possible to create an Artificial Engineered Aggregate (AEA) using waste materials and providing it with a specific shape that can help to reduce the noise and increase the friction? The thesis presents the development of an AEA and its application as a partial replacement in microsurfacing samples. The 1st introduces the topic and provides the aim and objectives of the thesis. The 2nd chapter – presents a pavement solution to noise and friction review. The 3rd chapter - developing a mix design for a geopolymer mortar that used basalt powder. The 4th chapter is presented the physical-mechanical evaluation of the AEA. The 5th chapter evaluates the use of this aggregate in microsurfacing regarding the texture parameters. The 6th chapter, those parameter are used as an input to SPERoN® model, simulating their noise behavior of these solutions. The findings from this thesis are presented as partial conclusions in each chapter, to be closed in a final chapter. The main findings are: the DoE provided the tool to select the appropriate geopolymer mortar mix design; AEA had interesting results regarding the physical-mechanical tests; AEA in partial replacement of the natural aggregates in microsurfacing mixture proved feasible. The texture parameters and noise levels obtained in AEA samples demonstrate that it can serve as a HIFASP

Sustainable pavements for rural scenarios: laboratory and in-situ characterization of recycled materials and innovative construction solutions

Growing need for infrastructure has led to expanding research on advances in road pavement materials. Finding solutions that are sustainable, environmentally friendly and cost-efficient is a priority. Focusing such efforts on low-traffic and rural roads can contribute with a significant progress in the vital circulatory system of transport for rural and agricultural areas. An important alternative material for pavement construction is recycled aggregates from solid wastes, including waste from civil engineering activities, mainly construction and demolition. A literature review on studies is made; it is performed a planned set of laboratory testing procedures aimed to fully characterize and assess the potential in-situ mechanical performance and chemical impact. Furthermore, monitoring the full-scale response of the selected materials in a real field construction site, including the production, laying and compaction operations. Moreover, a novel single-phase solution for the construction of semi-flexible paving layers to be used as alternative material to common concrete and bituminous layers is experimented and introduced, aiming the production and laying of a single-phase laid material instead of a traditional two phases grouted macadam. Finally, on a parallel research work for farming pavements, the possible use of common geotechnical anti-erosive products for the improvement of soil bearing capacity of paddock areas in cattle husbandries of bio-farms is evaluated. this thesis has clearly demonstrated the feasibility of using the sustainable recycled aggregates for low-traffic rural roads and the pavements of farming and agriculture areas. The pavement layers constructed with recycled aggregates provided satisfying performance under heavy traffic conditions in experimental pavements. This, together with the fact that these aggregates can be available in most areas and in large quantities, provides great impetus towards shifting from traditional materials to more sustainable alternatives. The chemical and environmental stability of these materials proves their soundness to be utilized in farming environments.

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.

Procurando o lazer no Constituinte : sua inclusão como direito social na Constituição de 1988

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Experimental Measurement of Water Diffusion through Fine Aggregate Mixtures

The water diffusion attributable to concentration gradients is among the main mechanisms of water transport into the asphalt mixture. The transport of small molecules through polymeric materials is a very complex process, and no single model provides a complete explanation because of the small molecule`s complex internal structure. The objective of this study was to experimentally determine the diffusion of water in different fine aggregate mixtures (FAM) using simple gravimetric sorption measurements. For the purposes of measuring the diffusivity of water, FAMs were regarded as a representative homogenous volume of the hot-mix asphalt (HMA). Fick`s second law is generally used to model diffusion driven by concentration gradients in different materials. The concept of the dual mode diffusion was investigated for FAM cylindrical samples. Although FAM samples have three components (asphalt binder, aggregates, and air voids), the dual mode was an attempt to represent the diffusion process by only two stages that occur simultaneously: (1) the water molecules are completely mobile, and (2) the water molecules are partially mobile. The combination of three asphalt binders and two aggregates selected from the Strategic Highway Research Program`s (SHRP) Materials Reference Library (MRL) were evaluated at room temperature [23.9 degrees C (75 degrees F)] and at 37.8 degrees C (100 degrees F). The results show that moisture uptake and diffusivity of water through FAM is dependent on the type of aggregate and asphalt binder. At room temperature, the rank order of diffusivity and moisture uptake for the three binders was the same regardless of the type of aggregate. However, this rank order changed at higher temperatures, suggesting that at elevated temperatures different binders may be undergoing a different level of change in the free volume. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000190. (C) 2011 American Society of Civil Engineers.

Medição do coeficiente de atrito da superfície de pavimentos: estudo do equipamento Grip Tester

Ao nível da segurança de circulação rodoviária e aeroportuária, a aderência entre os pneumáticos e a superfície do pavimento apresenta-se como uma das características superficiais mais importantes dos pavimentos em situações de piso molhado. Mundialmente, tem-se dado relevante importância a este facto, levando a que nas últimas décadas e anos, se tenham estudado diversos índices e equipamentos de medição do coeficiente de atrito de um dado pavimento aquando da presença de água. O objectivo da presente dissertação é o de aprofundar o conhecimento sobre a medição do coeficiente de atrito da superfície dos pavimentos de infraestruturas rodoviárias e aeroportuárias, com a particular incidência no estudo do equipamento GripTester. O trabalho realizado consistiu principalmente na análise de valores do coeficiente de atrito da camada de desgaste medidos no pavimento de um aeródromo, por três equipamentos GripTester, através de um ensaio de comparação interlaboratorial que foi organizado especificamente no âmbito desta dissertação. O trabalho desenvolvido permitiu concluir que foi importante desenvolver este estudo comparativo. Com efeito, a análise dos resultados do ensaio de comparação interlaboratorial mostrou que há diferenças no desempenho dos equipamentos participantes, que interessa aprofundar em estudos comparativos futuros.

Sistema de contagem de tráfego e classificação automática de veículos, em tempo real e sem fios

Esta tese tem por objectivo o desenho e avaliação de um sistema de contagem e classificação de veículos automóveis em tempo-real e sem fios. Pretende, também, ser uma alternativa aos actuais equipamentos, muito intrusivos nas vias rodoviárias. Esta tese inclui um estudo sobre as comunicações sem fios adequadas a uma rede de equipamentos sensores rodoviários, um estudo sobre a utilização do campo magnético como meio físico de detecção e contagem de veículos e um estudo sobre a autonomia energética dos equipamentos inseridos na via, com recurso, entre outros, à energia solar. O projecto realizado no âmbito desta tese incorpora, entre outros, a digitalização em tempo real da assinatura magnética deixada pela passagem de um veículo, no campo magnético da Terra, o respectivo envio para servidor via rádio e WAN, Wide Area Network, e o desenvolvimento de software tendo por base a pilha de protocolos ZigBee. Foram desenvolvidas aplicações para o equipamento sensor, para o coordenador, para o painel de controlo e para a biblioteca de Interface de um futuro servidor aplicacional. O software desenvolvido para o equipamento sensor incorpora ciclos de detecção e digitalização, com pausas de adormecimento de baixo consumo, e a activação das comunicações rádio durante a fase de envio, assegurando assim uma estratégia de poupança energética. Os resultados obtidos confirmam a viabilidade desta tecnologia para a detecção e contagem de veículos, assim como para a captura de assinatura usando magnetoresistências. Permitiram ainda verificar o alcance das comunicações sem fios com equipamento sensor embebido no asfalto e confirmar o modelo de cálculo da superfície do painel solar bem como o modelo de consumo energético do equipamento sensor.

Caracterização mecânica de misturas betuminosas a aplicar em infra-estruturas de transportes

A maioria das infra-estruturas de transportes, nomeadamente os pavimentos rodoviários e aeroportuários, são constituídas por misturas betuminosas, o que permite um bom desempenho e uma adequada durabilidade, nas condições usuais de serviço. As misturas betuminosas são ainda amplamente utilizadas na construção de zonas de estacionamento de veículos, tendo-se verificado recentemente a sua aplicação também em infra-estruturas ferroviárias. Face à necessidade de melhorar o desempenho das vias-férreas, permitindo uma concepção mais durável de linhas de alta velocidade e uma redução dos custos da sua manutenção, tem-se vindo a desenvolver diversos estudos para promover a utilização de novos materiais, principalmente através da incorporação de misturas betuminosas. O presente trabalho tem como objectivo a caracterização do comportamento mecânico de misturas betuminosas a aplicar em infra-estruturas de transportes. Como metodologia para o estudo do comportamento mecânico das misturas betuminosas foram realizados em laboratório ensaios de cargas repetidas, nomeadamente, ensaios de flexão em quatro pontos para determinação da rigidez e da resistência à fadiga e ensaios de compressão triaxiais cíclicos para avaliação do comportamento à deformação permanente. A resistência à fadiga das misturas betuminosas em estudo foi avaliada através do ensaio de flexão em quatro pontos, com extensão controlada, e aplicação de um carregamento sinusoidal com diferentes frequências, de acordo com o procedimento de ensaio da norma europeia EN 12697-24 (2004 + A1: 2007). A resistência à deformação permanente das misturas betuminosas foi analisada através de ensaios de compressão triaxiais cíclicos, submetendo-as a uma tensão de confinamento estática pela aplicação parcial de vácuo e a uma pressão axial cíclica sob a forma rectangular, de acordo com a norma europeia EN 12697-25 (2004). O conhecimento destas propriedades mecânicas assume particular importância ao nível da formulação das misturas betuminosas, do dimensionamento de uma estrutura ou do estabelecimento de uma adequada solução para uma obra de reabilitação duma infra-estrutura de transportes. Para este estudo foi utilizado um modelo físico construído numa fossa no LNEC, com o propósito de serem testadas três substruturas ferroviárias não convencionais, utilizando sub-balastro betuminoso. A selecção das substruturas foi efectuada após uma análise de várias secções de estruturas já testadas e aplicadas noutros países, de forma a proporcionar comparações fiáveis entre elas. Os resultados obtidos mostraram que a mistura betuminosa AC20 base 50/70 (MB) aplicada na camada de sub-balastro é adequada para ser aplicada nas infra-estruturas de transportes pois apresenta um bom desempenho à fadiga e à deformação permanente. Através dos ensaios efectuados foi ainda possível entender a importante influência das características volumétricas, principalmente da porosidade para o bom comportamento da mistura betuminosa.

Porto: cidade amiga das pessoas idosas: um estudo centrado na perspectiva de idosos das freguesias de Miragaia e Vitória

O presente estudo, de natureza qualitativa e exploratório, teve como objectivo verificar se a cidade do Porto possui características de uma cidade amiga das pessoas idosas, na perspectiva de idosos residentes neste meio urbano. Uma cidade amiga das pessoas idosas estimula um envelhecimento activo e com dignidade ao optimizar oportunidades para a saúde, participação e segurança. Foram realizados dois focus groups com pessoas idosas habitantes das Freguesias da Vitória e Miragaia, seleccionados a partir de uma amostragem por conveniência, recorrendo-se a um guião de entrevista constituído pelas seguintes categorias: espaços exteriores e edifícios; transportes; habitação; respeito e inclusão social; participação social; participação cívica e emprego; comunicação e informação; apoio comunitário e serviços de saúde. Desta forma, foi possível verificar que, apesar dos participantes identificarem um conjunto de condições que podem ser consideradas amigas das pessoas idosas, a maior parte das características referidas foram encaradas como negativas e com um impacto considerável no seu quotidiano. A participação social, os meios de informação disponíveis e os serviços comunitários são as condições perante as quais os participantes demonstram maior satisfação. Pelo contrário, em relação aos espaços exteriores, referem aspectos, como os grandes declives, as más condições dos pavimentos, os obstáculos nos passeios e a acumulação de lixo, que contribuem para um ambiente desagradável e inseguro. Quanto aos transportes, as modificações na identificação dos veículos, as alterações nos percursos, a pouca consciencialização dos motoristas em relação às necessidades dos mais velhos e as condições das paragens são os principais factores destacados, enquanto as habitações são consideradas antigas e com más condições estruturais e de acesso. De uma forma geral, estes idosos consideram-se pouco reconhecidos e desrespeitados pelos mais jovens e deparam-se com grandes dificuldades no acesso a actividades laborais e de voluntariado.

Análise comparativa de soluções adotadas para a reabilitação de pavimentos flexíveis que integram a rede rodoviária nacional

A presente dissertação tem como objetivo efetuar a análise comparativa de soluções adotadas de reabilitação de pavimentos flexíveis que integram a rede rodoviária nacional. No âmbito desta análise apresenta-se o estado da arte respeitante à reabilitação de pavimentos flexíveis, nomeadamente: mecanismos de degradação, famílias de degradações, avaliação da capacidade de carga dos pavimentos, metodologia utilizada no dimensionamento do reforço de pavimentos, sendo também efetuada uma análise comparativa de técnicas de reforço de pavimentos e dos tratamentos antifendas. Neste contexto, apresenta-se um caso de estudo no qual é efetuada uma análise de três soluções possíveis para a reabilitação estrutural do pavimento do IC 20 entre Almada e a Costa de Caparica. É feita a descrição da solução projetada pela EP, SA patenteada em concurso público lançado em 2007, a qual é de certa forma inovadora ao nível do tratamento retardador da reflexão de fendas. Aquela solução técnica é constituída pela aplicação de grelhas de fibra de vidro e grelhas de fibra de carbono, seguidas da colocação de uma camada de desgaste em mistura betuminosa rugosa com betume modificado com baixa percentagem de borracha reciclada de pneus usados (BBr - BBB). Complementarmente, é efetuada a análise da solução do projeto de reabilitação do IC 20, patenteado pela Subconcessionária do Baixo Tejo, que contemplou a aplicação de misturas betuminosas rugosas com betume modificado com média percentagem de borracha reciclada de pneus usados (BBr - BBM). Para além da solução patenteada pela subconcessionária, é analisada a solução do projeto de alterações (variante) apresentado pelo agrupamento de empresas construtoras, que foi adotado na execução da obra realizada no IC 20. A intervenção de reabilitação estrutural contemplou a utilização de uma camada de ligação em AC 16 10/20 (MBAM) e uma camada de desgaste em mistura betuminosa rugosa com betume modificado com média percentagem de borracha reciclada de pneus usados (BBr - BBM). Adicionalmente à caracterização de diferentes soluções de reabilitação de pavimentos flexíveis adotados em Portugal, é efetuada uma análise comparativa dos custos de ciclo de vida (construção, manutenção e conservação) de cada tipo de solução de reabilitação.

Estudo da susceptibilidade ao polimento dos agregados para camadas de desgaste de pavimentos rodoviários

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Betão betuminoso com betume anti-querosene Formulação, aplicação e comportamento

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente