Sand-asphalt mix design with available materials for hot and arid environments

Madwi, Fathi (2020). Sand-asphalt mix design with available materials for hot and arid environments. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Specific techniques and methods are described in this thesis in order to adapt Hot Mix Asphalt (HMA) so that desert sand can be used as a fine aggregate. In this way, the HMA can use a freely available local material. Such a locally available material is both accessible and low-cost but introduces the question of processing so that the final road construction is of comparable quality to that which is made using mechanically crushed aggregate. The challenge of this research is to meet the societal needs for low-cost HMA roads, made with readily available desert yet rounded sand, while finding an allowable ratio of natural sand to crushed sand and other fillers thereby ensuring a stable asphalt mix under hot temperatures.

Due to its viscoelastic properties, HMA is greatly affected by temperature variation, rate of loading and other climatic conditions. Hot and arid climates provide the challenge of extreme daytime temperatures, particularly for a black, road surface layer. Climate change is also considered to be worsening this effect, specifically because of hot wind currents further degrading desert sand, reducing its angularity. As such, changes in the climate may challenge conventional empirical methods used to predict pavement distress, resulting in an overestimation of projected pavement life.

Where road infrastructure is aging, pavement condition must be improved to maintain driver safety and comfort; this is a critical issue in hot and arid regions. Starting in the 1970s, it has become more common to rehabilitate road networks than to reconstruct them. For budgetary reasons, the growing costs of virgin aggregate, binders, and other materials have created a demand for more sustainable techniques that allow for the use of recycled or otherwise lower grade materials in HMA. Specifically, a sand-asphalt mix is a promising alternative to HMA, especially for Low Volume Roads (LVRs).

The laboratory investigations conducted in this research use round desert sand obtained from the desert region in the south of Libya. This region is part of the Sahara Desert where temperatures range from 30 to 50 degrees centigrade; there is an abundance of sand but there is no local source of what is typically the standard structural component for roadbuilding: an aggregate of gravel and sand. Currently, such aggregate must be transported from the north of Libya, hundreds of kilometers away. To reduce these costs, preserve good quality aggregates and reduce the transport associated pollution, this study develops techniques to use the sand readily available in the south. Typically, natural desert sand does not satisfy angular and abrasion requirements for use as a pavement material in its untreated state. Nonetheless, after processing, it has been used successfully in a number of road projects in Australia and elsewhere. In standard HMA construction, mechanically crushed sand provides an angular grain that resists compacting because the particles naturally interlock against each other and form a mesh. The problem with naturally occurring sand is that it has a rounded grain. Roads built from this rounded grain sand develop premature rutting because the particles do not interlock with each other. Although an HMA road using only sand as an aggregate will only ever be suitable for LVRs, a better understanding of how to integrate and process the naturally found sand will save a great deal of time and money. Beside the fact that desert sand is freely available, crushed sand is the by-product of the creation of larger aggregate; therefore it is the cheapest form of manufactured aggregate.

In this research, the HMA is mostly used as a surface layer. The tests used in this study are the Marshall, the gyratory compaction, the rutting analyzer, the creep, the Indirect Tensile Strength Modulus (ITSM), and the complex modulus. These tests have been performed on all samples in order to draw relevant statistical conclusions and recommendations.

The results demonstrate that the type of material affects the volumetric properties of the HMA that, in turn, significantly affects the rheological behaviour of the mix. This mix depends on three factors: ratio of desert sand to mechanically crushed sand; choice of bitumen; choice of mineral filler. In this research, the optimal percentage of desert sand has been found to be 33% for all mixes; this is complemented by 63% crushed sand and 4% mineral filler (either limestone or brick powder). These samples were mixed with two different types of bitumen, either Performance Grade 70-10 (PG70-10) or Penetration Binder 60/70 (B60/70). The effect of the bitumen type on the viscoelastic behaviour of the mix was investigated to improve the prediction of the service life of the mix and so was the type of filler (limestone or brick powder).

The most critical test results were the complex modulus analysis, the rutting test, the ITSM, and the creep tests. In the complex modulus test, it was found that the influence of high temperature conditions on the stiffness behaviour of the mix is higher as the number of cycles increases. Regarding the rutting test, the PG70-10 mixture was more resistant to rutting deformation than the B60/70 mix; in the same test, the brick powder mix was more resistant than the limestone mix. The ITSM results indicated that using brick powder as a mineral filler instead of limestone increases the stiffness modulus, performance, and durability of the asphalt surface mix. The creep test showed that the brick powder mixture has less creep than the mixture with limestone powder. This means that the brick powder mix increases the resistance to rutting deformation. The results from this research contribute to a better understanding of the sand-asphalt mix design method based on Superpave techniques.

Titre traduit

Mélange sables-bitumes adaptés aux climats chauds et arides

Résumé traduit

Des techniques et méthodes spécifiques sont décrites dans cette thèse afin de développer des sables bitumes ayant en partie recours au sable du désert comme agrégat fin, lequel est disponible dans ces zones désertiques, le rendant rapidement accessible et peu coûteux.

Le défi demeure toutefois de rendre cet enrobé apte à assurer un bon comportement en comparaison avec un granulat concassé mécaniquement.

Il s’agit de produire des enrobés peu coûteux mais durables avec un recours en partie au sable désertique, et trouver un rapport admissible entre la teneur en sable naturel et la teneur en sable broyé et autres fillers, garantissant ainsi un sable bitume (SB) stable aux températures élevées.

En raison de ses propriétés viscoélastiques, le comportement rhéologique du SB est fortement affecté par les variations de la température et les autres conditions climatiques.

Les climats chauds et arides posent le défi des températures diurnes extrêmes, en particulier pour ce qui concerne les couches noires de la chaussée. Par ailleurs, le changement climatique a également un impact, notamment à cause des courants de vents chauds, dégradant davantage l’angularité du sable du désert. A ce titre, force est d’admettre que les changements climatiques peuvent remettre en cause les méthodes empiriques développées pour prédire le vieillissement de la chaussée, ce qui entraînerait une surestimation de la durée de vie prévue de la chaussée.

La détérioration des infrastructures routières requiert d’intervenir au moins sur la surface de la chaussée afin de préserver la sécurité et le confort des usagers. Ceci est d’autant plus vrai dans les régions chaudes et arides, à cause du fluage des enrobés sous les chaleurs extrêmes.

Quoique à partir des années 1970, il est devenu plus courant de réhabiliter les routes que de les reconstruire, il n’en demeure pas moins que des milliers de kilomètres sont encore construits chaque année dans les régions chaudes avec des budgets limités, ne permettant pas de recourir aux granulats de qualité de moins en moins disponibles et de plus en plus coûteux. C’est donc dans cette perspective que cette recherche devient utile pour les routes à faible volume (LVR), car elle permet de substituer, du moins en partie, le sable de carrière manufacturé et anguleux par du sable naturel et arrondi du désert.

Une validation est effectuée sur du sable du désert provenant du sud de la Libye, région qui fait partie du désert du Sahara et où les températures varient de 30 à 50 °C. Dans cette partie du monde, le sable est abondant mais rond. Les granulats de carrière et les sables de sablières anguleux, propre aux enrobés de qualité, ne sont disponibles qu’à des centaines de kilomètres, dans le nord du pays.

Afin de réduire ces coûts d’une part, et d’autre part afin de préserver les granulats de bonne qualité à d’autres fins, et enfin pour limiter la pollution associée au transport sur des longues distances, cette recherche démontre comment utiliser malgré tout le sable disponible dans le désert, au sud du pays.

Le sable naturel du désert ne répond généralement pas aux exigences d’angularité et de résistance à l'abrasion requise pour une utilisation en tant que matériau de chaussée non traité. Néanmoins, après traitement, il a été utilisé avec succès dans un certain nombre de projets routiers en Australie et ailleurs. Dans un enrobé conventionnel, le sable broyé mécaniquement fournit un grain anguleux qui résiste au compactage car les particules s'emboîtent naturellement les unes et les autres et forment un maillage continu et stable.

Le problème avec le sable d'origine naturelle, est qu'il a un grain de forme arrondi. Les routes construites à partir par le sable à grains arrondis développent des ornières prématurées car les particules ne s'emboîtent pas les unes dans les autres.

La démarche utilisée dans cette recherche permet d’obtenir des indications pour réduire la teneur en sable manufacturé dans la composition des sables bitumes. A cet effet, les essais utilisés dans cette étude sont l’essai Marshall, la presse à cisaillement giratoire, l’essai d'orniérage, l’essai de fluage, le module de résistance indirecte à la traction (ITSM) et le module complexe. Ils ont été effectués sur tous les échantillons afin de tirer des conclusions et des recommandations statistiques concluantes.

Les résultats démontrent que le choix du matériau affecte les propriétés volumétriques du sable bitume, ce qui affecte de manière significative son comportement. Ce mélange dépend de trois facteurs: la proportion de sable du désert par rapport au sable concassé mécaniquement; le choix du bitume; et le choix du filler minéral.

Dans cette recherche, le pourcentage optimal de sable du désert est de 33% pour tous les mélanges; ceci est complété par 63% de sable concassé et 4% de filler minéral (poudre de calcaire ou de brique). Ces échantillons ont été mélangés avec deux types de bitume différents: Performance Grade 70-10 (PG70-10) ou Liant de pénétration 60/70 (B60 / 70). L'effet du type de bitume sur le comportement viscoélastique du mélange a été étudié pour améliorer la durée de vie du mélange.

Les résultats des tests les plus déterminants sur la performance des sables bitume sont l'analyse du module complexe, le test de l'orniérage, le test ITSM et le test de fluage. Pour l’essai de module complexe, il a été constaté qu’à des températures élevées, caractéristiques des zones désertiques, la rigidité du mélange croît à mesure que le nombre de cycles augmente. En ce qui concerne le test d`orniérage, le mélange PG70-10 se révèle plus résistant à la déformation à l'orniérage que le mélange B60/70 couramment utilisé dans ces zones désertiques. Aussi, dans le même test, on observe que le mélange avec la poudre de brique comme filler était plus résistant que le mélange avec un filler à base de calcaire. Les résultats de l'ITSM ont indiqué pour leur part que l'utilisation de la poudre de brique comme filler minéral au lieu de calcaire augmente le module de rigidité, la performance et la durabilité du sable bitume. L'essai de fluage a montré enfin que le mélange avec de la poudre de brique flue moins que le mélange avec de la poudre de calcaire. Cela signifie que le mélange avec de la poudre de brique déploie une meilleure résistance à la déformation en compression. En conclusion, les résultats de cette recherche contribuent à une meilleure compréhension des dosages des sables bitumes en milieu désertique.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 171-179).
Mots-clés libres:	asphalte, régions chaudes et arides, performance, sable-bitume, LVR, orniérage, module complexe, superpave
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Assaf, Gabriel J.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 sept. 2020 14:00
Dernière modification:	01 avr. 2021 13:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2524

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