Optimization of cold mixtures with emulsion and high rap content

Flores Cuevas, Guillermo Alfredo (2019). Optimization of cold mixtures with emulsion and high rap content. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57577.

Description

Title: Optimization of cold mixtures with emulsion and high rap content
Author/s:
  • Flores Cuevas, Guillermo Alfredo
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

El presente trabajo analiza una de las alternativas para la rehabilitación de las carreteras, mediante mezclas recicladas en frío con emulsión. Además, se propone la realización de la nueva mezcla a partir del 100% de pavimento reciclado, lo que significa un avance para lograr la gestión más sostenible de las carreteras, al mismo tiempo que plantea un desafío importante para poder lograr un alto rendimiento. En la primera etapa de esta tesis, se estudió la energía de compactación adecuada para diferentes muestras de laboratorio, así como la influencia de diferentes tipos de emulsión y contenido de cemento sobre el comportamiento de la mezcla reciclada con 100% de RAP. La compactación es un tema que no se ha estudiado a fondo y que requiere mayores esfuerzos por parte de los investigadores para comprender mejor las mezclas frías. Por tal motivo, se decidió evaluar la influencia del método de compactación en el diseño de mezclas recicladas en frío con emulsión mediante la compactación con el Proctor modificado y la compactación giratoria según las regulaciones españolas. El objetivo fue elaborar un estudio comparativo de una serie de fórmulas de trabajo compactadas por ambos métodos. La comparación se realizó en términos de su densidad y contenido de huecos. El siguiente paso fue el desarrollo de una metodología de diseño con el objetivo de simplificar la elección de la mejor fórmula de mezcla. La idea es obtener un Índice de rendimiento global (GPI) que permita evaluar sistemáticamente cada mezcla. Para este propósito, se eligieron las pruebas de las siguientes propiedades, que combinan parámetros volumétricos y mecánicos: contenido de huecos en mezcla, resistencia a la tracción indirecta (ITS), sensibilidad al agua (ITSR), ahuellamiento, módulo de rigidez y vida útil a fatiga. Paralelamente a estos trabajos, se ha desarrollado un sistema de evaluación de cada propiedad basado en gráficos de rendimiento. De los resultados obtenidos en el laboratorio, cada propiedad ha sido evaluada para obtener el índice de desempeño respectivo. Una vez que se obtuvieron los resultados de todos los índices, la evaluación de cada mezcla se llevó a cabo a través del Índice de rendimiento global (GPI). Los índices propuestos son sensibles a los cambios, por lo que el GPI varía según la fórmula de la mezcla de trabajo analizada. El método considera múltiples parámetros de la mezcla que se simplifican con la metodología en un solo valor (GPI) que garantiza que la elección de una mezcla se basa en criterios técnicos y cuantitativos. El Índice de rendimiento global se puede usar no solo para comparar variaciones de una fórmula de mezcla de trabajo, sino también para comparar los resultados de varias granulometrías, emulsiones, etc. Finalmente, la última etapa de esta investigación tuvo como objetivo evaluar el efecto de agregar diferentes porcentajes de escoria en una mezcla de reciclado en frío en las propiedades de auto-reparación, y estudiar los efectos que la temperatura y la recompactación dan al potencial de auto-reparación. Por tal motivo el estudio se ha dividido en 2 etapas. La primera fue un estudio del calentamiento de las mezclas diseñadas con diferentes porcentajes de escoria, y la segunda el estudio de los efectos de la temperatura y la energía de recompactación en la tasa de autorreparación (HR). Los resultados muestran que el aumento de la temperatura y el aumento de la energía de compactación no producen por sí solo un aumento del HR, pero una combinación de ellos produce resultados muy prometedores. A lo largo del desarrollo de esta tesis, ha sido posible obtener resultados que contribuyen a la mejora de la técnica de reciclaje en frío con emulsión, que parece ser una técnica prometedora. Se estableció la necesidad de desarrollar una alternativa con menos impactos ambientales que ofreciera ventajas técnicas para la rehabilitación de pavimentos dañados. Inicialmente se confirmó la falta de consenso en la investigación de este tipo de tecnologías, tanto desde el punto de vista del diseño, como la falta de estandarización de los procedimientos. Esta tesis ha desarrollado una metodología que parece prometedora para la optimización de este tipo de mezclas. En particular, se ha utilizado para comparar proporciones de materiales para su diseño, pero de la misma manera, se puede implementar para la comparación de mezclas de este tipo con materiales de diferentes orígenes. Esto debido a que los parámetros de evaluación elegidos se establecen para evaluar cualquier mezcla de esta naturaleza, proporcionando una metodología que mejora la optimización. Esta técnica se puede utilizar progresivamente y, de este modo, contribuir a mejorar los pavimentos de las carreteras de una manera más eficiente cuando se realiza in situ, con menos impacto ambiental. ----------ABSTRACT---------- The present work analyzes one of the alternatives for the rehabilitation of the roads, by cold recycled mixtures with emulsion. Moreover, it is proposed the realization of the new mixture from 100% recycled pavement material, which means an advance to achieve the most sustainable management of the roads, at the same time that it poses a significant challenge to be able to achieve high performance. In the first stage of this thesis it was studied the compaction energy suitable for different laboratory specimens, as well as the influence of different types of emulsion and cement content on the behavior of the recycled mixture with 100% RAP. Compaction is a subject that has not been thoroughly studied and that requires new efforts from researchers to have a better understanding of cold mixtures. For this reason, it was decided to evaluate the influence of the compaction method in the design of cold recycled mixtures with emulsion considering the compaction with the modified Proctor test and the gyratory compaction according to Spanish regulations. The objective was to elaborate a comparative study in a series of working formulas that were compacted by both methods. The comparison was carried out in terms of density and air voids. The next step has been the development of a design methodology with the aim of simplifying the choice of the best mixture formula. The idea is to obtain a Global Performance Index (GPI) that allows us to systematically evaluate each mixture. For this purpose, the tests of the following properties have been chosen, which combine both volumetric and mechanical parameters: Air void content, indirect tensile stress (ITS), water sensitivity (ITSR), wheel tracking, stiffness modulus and fatigue life. Parallel to these works, an evaluation system of each property based on performance graphs has been developed. From the results obtained in the laboratory, each property has been evaluated to obtain the respective performance index. Once the results of all the indexes were obtained, the evaluation of each mixture was carried out through the Global Performance Index (GPI). The proposed indexes are sensitive to changes, so the GPI varies depending on the job mix formula analyzed. The method considers multiple parameters of the mixture that are simplified with the methodology in a single value (GPI) which guarantees that the choice of a mixture is based on technical and quantitative criteria. The Global Performance Index can be used not only to compare variations of a job mix formula, but also to compare the results of several gradations, emulsions, etc. Finally, the last stage of this research aimed to evaluate the effect of adding different percentage of Slag in a Cold-Recycling mixture on the self-healing properties, and study the effects that temperature and recompaction give to the self-healing potential. For this reason, the study has been divided into 2 parts. The first one was a study of the heating of the mixtures designed with different percentages of slag, and the second one that studies the effects of the temperature and the energy of recompaction in the Healing Rate (HR). The results show that the increase of temperature and the increase of energy of compaction do not produce an increase in HR by itself, but a combination of them produces very promising results. Throughout the development of this thesis, it has been possible to obtain results that contribute to the improvement of the technique of cold recycling with emulsion, which seems to be a promising technique. The need to develop an alternative with fewer environmental impacts that offered technical advantages for the rehabilitation of damaged pavements was established. Initially, it was possible to confirm the lack of consensus in the research of this type of technologies, both from the point of view of mix design and standardization of procedures. This thesis has developed a methodology that seems promising for the optimization of this type of mixtures. In particular, it has been used to compare the proportions of materials for its design, but in the same way, it can be implemented for the comparison of mixtures of this type with materials of different origins. This is due to the fact that the evaluation parameters chosen are established to assess any mixture of this nature, providing a methodology that improves the optimization of cold recycled mixtures with emulsion. This technique can be used progressively and in this way contribute to improve road pavements in a more efficient way when carried out in situ, with less environmental impact.

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Item ID: 57577
DC Identifier: http://oa.upm.es/57577/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57577
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57577
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 08 Jan 2020 07:28
Last Modified: 08 Jul 2020 22:30
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