Mechanical performance of half-warm mix recycled asphalt mixtures containing total rates of reclaimed asphalt pavement for their use in road pavements

Lizárraga López, José Manuel (2019). Mechanical performance of half-warm mix recycled asphalt mixtures containing total rates of reclaimed asphalt pavement for their use in road pavements. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.56320.

Description

Title: Mechanical performance of half-warm mix recycled asphalt mixtures containing total rates of reclaimed asphalt pavement for their use in road pavements
Author/s:
  • Lizárraga López, José Manuel
Contributor/s:
  • Gallego Medina, Juan
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ingeniería Civil: Transporte y Territorio
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En los últimos años, la tecnología de mezclas templadas recicladas fabricadas por debajo del punto ebullición del agua (≤100 ºC), junto con tasas de reutilización de hasta un 100% de árido reciclado, representa una solución de gran potencial e interés para la reducción de consumo energético (fuel and gas-oil), materias primas (áridos y betún) y emisiones contaminantes de efecto invernadero (GEI) durante el proceso de fabricación, compactación y puesta en obra. No obstante, a pesar de las ventajas técnicas, sociales, medioambientales y económicas, el reciclado templado con emulsión es una técnica aún en desarrollo que requiere mayor estudio y experiencias que avalen su durabilidad y prestaciones para situarse como una técnica de desarrollo sostenible. En este sentido, en el estudio de las mezclas templadas con tasa total de reutilización, se ha detectado la carencia de un procedimiento idóneo para su diseño, compactación y caracterización en laboratorio. Por ello, se han utilizado y comparado tres métodos de compactación de probetas cilíndricas utilizados en laboratorio, tales como (1) Compresión estática por doble émbolo NLT-162/00, (2) prensa giratoria (EN 12697-31:2013) y (3) probetas preparadas mediante compactador de impactos (12697-30:2012), empleando para ello, diferentes energías de compactación, dos contenidos de emulsión (2.5% and 3.0%) con un ligante con penetración relativamente alta (160/220) y otra con un ligante convencional de penetración 50/70. Esta caracterización ha permitido determinar cuál es el sistema de compactación más idóneo, así como la energía de compactación más apropiada para obtener probetas con un nivel de huecos en mezcla y una densidad que sea más representativa de lo que se va a obtener y reproducir en el sitio de trabajo. Además, las probetas fabricadas y compactadas se someterán a un periodo de curado/secado de tres días (72 h) a 50 ºC en estufa de convección forzada, antes de proceder a la realización de ensayos, con el objeto de evaluar el efecto de curado en las prestaciones mecánicas (resistencia a tracción indirecta y módulo) de mezclas con emulsión. Esta tesis doctoral tiene como objetivo presentar los resultados de la tecnología de mezclas templadas recicladas con tasas de revalorización y reutilización del 100% y 70%, colocadas tanto en capa de rodadura como en capa intermedia, que han sido fabricadas en una planta prototipo de fabricación continua, especialmente diseñada para la producción de esta tecnología. Para la consecución de este objetivo, se tomaron un conjunto de muestras tras la fabricación para determinar la reproducibilidad de esta tecnología en planta. Además, tras la compactación y extendido de esta tecnología, una campaña de extracción de testigos fue llevada a cabo con el objeto de verificar que se haya alcanzado un 98% de la densidad de referencia en la capa de rodadura con equipos de compactación convencionales. Los resultados del control de calidad indicaron que las mezclas templadas recicladas con altas tasas de reutilización del 100% RAP cumplen con los valores mínimos de sensibilidad al agua por encima de 85% para capas de rodadura y 80% para capas base e intermedia. Además, resistencia a la deformación permanente por debajo de 0.1 (mm/1000 ciclos de carga), entre los 5.000 y 10.000 ciclos de carga, profundidad media del surco (PRDAIR) por debajo del 5%; valores de cohesión en seco por encima de 1.7 MPa; y la vida de fatiga fue algo similar a una mezcla convencional en caliente a una temperatura de 20 ºC. Por otro lado, se evalúo la recuperación de daño de mezclas templadas recicladas con tres tasas des escoria de horno de arco eléctrico (0%,4% y 8% de EAFS en volumen total de la mezcla) mediante la reutilización de un tratamiento termo-mecánico, es decir, utilizando un sistema de recompactación pionero junto con un proceso de tratamiento de microondas desde el laboratorio de la Escuela de Caminos, Canales, y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Los resultados mostraron que la recuperación de daño de las mezclas templadas, tras someterse a una carga de compresión diametral vertical de 50.8 mm/min, presentaron mayores grados de recuperación en términos de resistencia a tracción indirecta (RTI) y módulo al aplicar 50 giros de recompactación, a 80 ºC. Esta investigación ha demostrado la viabilidad de unas mezclas más competitivas y ambientalmente más sostenibles que las mezclas convencionales en caliente como son las mezclas templadas recicladas a tasa total para capas de rodadura e intermedia. La tecnología de mezclas templadas nos abre la posibilidad de poder reciclar mezclas hasta alta tasa, obteniéndose resultados en cuanto a propiedades mecánicas muy similares a las mezclas en caliente, favoreciendo la disminución de emisiones, de temperaturas de fabricación, compactación y de consumo de materiales, además de mejorar la seguridad de los trabajo. ----------ABSTRACT---------- Over the last few years, the use of half-warm mix asphalt (HWMA) mixtures that are manufactured below the boiling point of water (≤100 ºC), and total recycled asphalt pavement contents equal to 100% RAP, represent a promising engineering solution for reducing energy consumption (i.e., fuel and gas-oil), raw materials (i.e., aggregates and binder) and greenhouse gas (GHG) emissions released into the atmosphere during the mix production and construction (compaction and laying) process in the field. Despite the technical, social, environmental, and economic advantages associated with this sustainable disruptive technical solution, there remain some concerns and questions to be answered regarding durability and long-term mechanical performance that endorse their durability and benefits as a promising technique of sustainable development. Therefore, a lack of suitable mix design and characterization method was identified for this recent technology. To this end, three laboratory compaction test methods (Static compressive strength load NLT 162/00, Gyratory compactor (EN 12697-31:2013) and specimen preparation by impact compactor) were selected and put into assessment to define and evaluate the most suitable compaction test method for half-warm mix recycled asphalt (HWMRA) mixtures with 100% RAP. These mixtures were designed with two emulsion contents (2.5% and 3.0%,o/RAP) with a rejuvenator with a low pen. bitumen (160/220) and 50/70 pen. grade bitumen. The characterization allowed to select the most suitable compaction test method for the preparation and characterization of this technology and the target compaction energy to obtain and reproduce specimens with similar volumetric characteristics (air voids and density) to those obtained in the field after pavement construction. Posteriorly, the specimens were subjected to an accelerated curing/drying process for three days (72 h), at 50 ºC, in a forced-draft convection oven before laboratory testing. This doctoral dissertation aims to present the main results of the half-warm mix recycled asphalt (HWMRA) mixtures with total recycled asphalt pavement (RAP) contents equal to 100% using a continuous asphalt mixing plant specially designed for the production of this technology by Sacyr. To achieve this goal, a set of in-plant samples were collected to determine the reproducibility of up-scaling the laboratory mix design to an asphalt plant. Moreover, a sampling campaign was conducted to determine if the wearing course asphalt mixtures meet the minimum percentage of 98% of the benchmark density after compaction with conventional machinery. The quality control results showed that both HWMRA mixes with 100% RAP meets the minimum moisture damage resistance value for binder and wearing course asphalt mixtures of road pavements. Also, the resistance to permanent deformation values of these mixes were found to be lower than 0.1 (mm/1000 load cycles), between 5000 and 10000 load cycles, and proportional rut depth (PRDAIR) below 5%; indirect tensile strength (ITS) values above 1.7 MPa; and similar fatigue cracking resistance law of half-warm mixes with 50/70 pen grade bitumen compared with conventional hot mix asphalt mixtures at 20 ºC. On the other hand, the self-healing ratio of half-warm mixes with three electric arc furnace steel (EAFS) slag aggregate contents was analyzed using a thermo-mechanical treatment. In other words, a recompaction-based mechanical method together with a microwave heating energy treatment were conducted at the Technical University of Madrid - Department of Civil Engineering, Transport, and Urban Planning. The results showed that the self-healing ratio of this technology after the specimens are subjected to a vertical diametral load of 50.8 mm/min, presented a higher recovery capability of mixtures’ mechanical performance properties (indirect tensile strength and stiffness modulus) by applying 50 recompaction gyrations at 80 ºC. This research has demonstrated the viability of using more competitive and sustainable engineering solutions compared to conventional hot mix asphalt mixture, such as half-warm mix recycled asphalt mixtures (HWMRA) mixes with a total recycled asphalt (RAP) content for their use in the binder and wearing course asphalt mixtures of road pavements. This technology allows the possibility of recycling mixtures with high and total RAP contents, obtaining results in terms of mechanical properties very similar to hot mixes, which makes it possible to reduce the GHG emissions, manufacturing and compaction temperatures and consumption of materials while improving the safety of the workers.

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Item ID: 56320
DC Identifier: http://oa.upm.es/56320/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56320
DOI: 10.20868/UPM.thesis.56320
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 14 Oct 2019 06:39
Last Modified: 15 Apr 2020 22:30
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