Cement-bitumen treated materials (CBTM) for cold regions: RAP aggregate source and low production temperatures

Raschia, Simone (2020). Cement-bitumen treated materials (CBTM) for cold regions: RAP aggregate source and low production temperatures. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The increase of asphalt price due to the energy crisis of the last years drove the development of cost-effective asphalt pavement recycling technologies. The limited availability of natural aggregates, the growing awareness about the environment and the increasing costs for handling milled materials, required innovative sustainable technics, such as cold in-place recycling (CIR) and the reuse of reclaimed asphalt pavement (RAP). In this context, cement-bitumen treated materials (CBTM) ensure benefits in terms of reliability, cost effectiveness and environmental sustainability. The main difference between CBTM and Hot Mix Asphalt (HMA) is that the lubricant effect in the first is given mostly by the water, while in the second case it is given by the heated bitumen. At the same time, the cohesion of CBTM is granted by the cooperation of bitumen emulsion (or foamed bitumen) and cement as binding agents. Since the RAP aggregate are the major component of the aggregate volume, it is believed that a study on the effect of different RAP sources is needed to improve the mix design process. Moreover, field experience shows that CBTM laydown at low temperatures (during cold seasons) seems to suffer a loss in mechanical properties. Hence, the main objective of this thesis is to understand the effect of RAP sources and of low production temperatures on CBTM properties. Results have shown that the RAP source does influence several CBTM properties. In fact, the RAP binder characteristics, as well as its affinity with the residual bitumen used in the emulsion, affect the properties of cold recycled materials not only during production (workability and compactability), but also during and after the curing period, where influence on the mechanical properties in the small strain and large strain domains were observed. Furthermore, the bitumen emulsion characteristics influence the production process at low temperatures. Results showed that the production of such materials at 5 °C (intended as mixing, transportation, laydown, compaction and curing) was possible. In this way the time available for production during the year increases, but, on the other hand, a stiffness loss of 30% was observed compared to mixtures produced at 25 °C. This should be taken into account during pavement design.

Titre traduit

Matériaux traités au ciment et bitume (MTCB) pour les régions froides: source de granulats GBR et basses températures de production

Résumé traduit

L'augmentation du prix du bitume due à la crise énergétique des dernières années a entraîné le développement de technologies rentables de recyclage des revêtements en enrobé bitumineux. La disponibilité limitée de granulats naturels, l'augmentation des coûts d'élimination des matériaux provenant des chaussées et la sensibilisation politique croissante aux questions environnementales favorisent fortement les techniques de recyclage, telles que le recyclage à froid (cold recycling - CR) et la réutilisation des granulats bitumineux recyclés (GBR). Dans ce contexte, les matériaux traités au ciment et bitume (MTCB) sont prometteurs en termes de fiabilité, de rentabilité et de développement durable. La principale différence entre le MTCB et l’enrobé bitumineux à chaud (hot mix asphalt - HMA) est que l'effet lubrifiant dans le premier cas est donné principalement par l'eau, tandis que dans le second cas il est donné par le bitume chauffé. De plus, la cohésion du MTCB est assurée par l’effet combiné de l'émulsion de bitume (ou de la mousse de bitume) et du ciment comme agents de liaison. Puisque les GBR représentent la composante principale du squelette granulaire du MTCB, une étude portant sur l'effet des différentes sources de GBR quant à l’ouvrabilité et aux propriétés thermomécaniques du MTCB est nécessaire pour éclairer le processus de formulation de ce type de matériaux. Par ailleurs, l'expérience terrain a montré que la mise en oeuvre de MTCB à basse température (pendant les saisons froides) semble changer les propriétés mécaniques de ce matériau à long terme. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est de comprendre l'effet des sources de GBR et des basses températures de mise en oeuvre sur les propriétés du MTCB. Les résultats ont montré que la source GBR influence effectivement plusieurs propriétés des MTCB. En fait, les caractéristiques du liant du GBR, ainsi que son affinité avec le bitume résiduel de l'émulsion, affectent les propriétés des MTCB lors de la production (maniabilité et compactabilité), et aussi pendant et après la cure, où on a observé une influence sur les propriétés mécaniques dans les domaines de petite et de grande déformation. En outre, les caractéristiques de l'émulsion de bitume influencent le processus de production à basse température. Les résultats ont montré que la production de ces matériaux à 5 °C (malaxage, transport, mise en place, compactage et cure) était possible. De cette manière, le temps disponible pour la production de MTCB au cours de l'année augmente, mais, par contre, une perte de rigidité à long terme de 30% a été observée par rapport aux MTCB produits à 25 °C. Il convient d'en tenir compte lors de la conception des chaussées.

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 degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 333-355).
Mots-clés libres:	recyclage à froid, source du GBR, production, cure, basses températures, propriétés mécaniques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Perraton, Daniel
Codirecteur:	Codirecteur Carter, Alan Graziani, Andrea
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	26 janv. 2021 21:06
Dernière modification:	26 janv. 2021 21:06
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2592

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