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Development of innovative mix design for road construction in hot regions

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Guha, Aioub (2022). Development of innovative mix design for road construction in hot regions. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Permanent deformation in the form of rutting and bleeding is one of the major mechanisms of deformation affecting asphalt pavements, with severe safety and comfort consequences and substantial associated economic cost and marginal pollution. This is a serious concern exacerbated in hot countries whereby the resistance to deformation or viscosity of the bitumen binders, at those prevailing extremely hot in-service temperatures, drops multifold. In hot countries, air temperatures can exceed 45°C and the asphalt mix may reach 70°C. Even in the construction of primary roads, bitumen 60/70 (B60/70), which is a relatively low-grade and hard bitumen, continues to be used for Hot Mix Asphalt (HMA) construction because of the lack of availability of Performance Grade Superpave asphalts. Asphalt pavement roads therefore develop extreme deformations in the form of rutting because the B60/70 is primarily based on the resistance to deformation at 25°C. As a result, flexible pavements in hot regions namely those subject to heavy loads, often show substantial rutting and shoving. These distresses are caused by heavy traffic, an inadequate viscosity of bitumen at these in-service temperatures, a poor fine gradation with less coarse aggregates and/or an insufficient aggregate angularity.

In several countries of North Africa and Middle East: 1) the surface temperature of asphalt can reach 70°C, and 2) the materials available near the alignment are often very thin and rounded by wind erosion, which accentuates rutting and shoving. Road agencies have difficulties coping with these issues at a cost that makes economic sense for funding.

This research investigates the use of Ordinary Portland Cement (OPC) and cellulose fiber (CF) as a filler substitute to improve the resistance to deformation or rigidity of asphalt concrete mixes made with B60/70 bitumen and readily available low quality, fine and rounded, aggregates. This amended mixture increases the pavement’s stability and resistance to high temperatures. To establish the effects of OPC on the performance of asphalt mixtures in hot climates, four different percentages of OPC (0%, 2%, 4% and 6%) are used as filler substitutes in three different mixes. CF mixes were also tested with three different percentages of CF (0.25%, 0.5%, and 0.75%) used as filler. The performance of the OPC and CF mixes are assessed using the Superpave Gyratory Compactor to ensure easiness to place, the Asphalt Pavement Rutting Analyzer to ensure lack of rutting and The Indirect Tensile Stiffness Modulus (ITSM) to prevent in-service cracking. ITSM tests were conducted at - 5°C, 10°C, 25°C to simulate adverse conditions in desertic or mountainous regions in the Middle East and North Africa and the rutting analyzer test was conducted at 60°C to simulate adverse hot temperatures in the region.

Findings indicate that mixtures containing higher percentages of OPC as a filler are significantly more resistant to rutting as found with the rutting analyzer, while remaining easy to place as found with the gyratory compactor. These experimental results also show that Portland Cement Filler Asphalts (PCFA) represents a more stable alternative to conventional asphalts that also reduces thickness requirements as demonstrated with mechanistic pavement design model, because of the higher resulting modulus of rigidity. This has important cost implications in hot rural areas with scarce quarries for good quality aggregates, because of the increased stability and therefore performance and the reduced thicknesses, both of which reduce the construction and the maintenance cost of the road, to levels more in line with the savings generated by the reduction in transport cost resulting from a road in better condition.

Titre traduit

Développement d'une conception de mélange innovante pour construction de route dans les zones chaudes

Résumé traduit

La déformation permanente des enrobés bitumineux se manifeste principalement sous la forme d'ornières, et représente un des problèmes majeurs affectant les chaussées flexibles, particulièrement dans les pays chauds. Elle est grave car elle met en cause la sécurité des usagers. Elle est conditionnée par la résistance et la déformation ou la viscosité des liants bitumineux constitutifs utilisés aux températures élevées qui prévalent. Elle est accentuée dans les pays très chauds où la température de l'air peut dépasser 45°C et l’enrobé atteindre 70oC. Le recours au bitume à pénétration 60/70 (B60/70), qui est un bitume relativement dur, ne se comporte pas bien aux températures élevées sur les routes subissant le passage répété des poids lourds. Ceci est principalement dû au fait que le B60/70 est basé sur la résistance à la déformation du bitume à 25°C et non à 45oC voire plus. Par ailleurs, les chaussées souples dans ces régions chaudes développent aussi des bourrelets causés également par le trafic, une viscosité insuffisante du bitume aux températures de service et/ou une angularité des agrégats qui est déficiente et une granulométrie trop fine. Dans plusieurs pays d’Afrique du Nord et d’Afrique subsaharienne tels que la Libye, mais aussi l’Algérie, le Mali, le Burkina Faso, le Sénégal, le Tchad, le Bénin, la Mauritanie, le Burundi et le Mozambique, la température en surface des enrobés peut atteindre 70°C, les matériaux disponibles près de l’alignement sont souvent très fins et arrondis par le vent ce qui accentue encore plus ces manifestations, rendant les administrations routières totalement incapables à y faire face à des coûts raisonnables, c’est-à-dire qui permettent de dégager une rentabilité économique.

C’est dans le but de contribuer à solutionner cette problématique que s’inscrit cette recherche notamment en évaluant l’intérêt de recourir à de très petites quantités de ciment Portland ordinaire (OPC) et aux fibres de cellulose (CF) pour améliorer la résistance à la déformation ou la rigidité des enrobés bitumineux à base de bitume B60/70 tout en ayant recours à des granulats fins, non conformes, mais néanmoins aisément accessibles pour la construction de routes. On observe en effet que ce recours à l’OPC et aux CF améliore sensiblement la stabilité et accroît la résistance à la déformation de l’enrobé à ossature fine à des températures élevées. Pour apprécier les effets de l'OPC sur les performances des enrobés fins dans les climats chauds, quatre pourcentages différents d'OPC (0 %, 2 %, 4 % et 6 %) sont utilisés comme substituts au filler dans trois mélanges différents. Par ailleurs, les mélanges CF ont également été testés avec trois pourcentages différents de CF (0,25 %, 0,5 % et 0,75 %) utilisés comme fillers. Les performances des mélanges OPC et CF sont évaluées à l'aide de la presse à compactage giratoire Superpave, l'analyseur d'orniérage de chaussée et l’essai de traction indirecte (ISTM). Les tests ITSM ont été réalisés à - 5°C, 10°C, 25°C pour simuler les conditions les plus défavorables dans des zones désertiques et des hauts plateaux de l’Afrique du Nord, et le test de l'analyseur d'orniérage a été effectué à 60°C pour simuler les températures les plus défavorables observées en Afrique Sub-Saharienne.

Il ressort de ce plan expérimental que les mélanges bitumineux renfermant des pourcentages plus élevés d'OPC, utilisés à titre de filler, sont significativement plus résistants à l'orniérage selon l’analyseur d’orniérage, tout en étant plus faciles à poser selon la presse à cisaillement giratoire. Ces résultats expérimentaux prometteurs portent à conclure que le ciment peut représenter une alternative intéressante qui augmente la stabilité du mélange à ossature même fine, sans en affecter la facilité de pose ou la maniabilité, et réduit du fait même l’épaisseur en enrobé qui est requise comme établi à l’aide d’une analyse structurale analytique, en raison du module de rigidité plus élevé qui en résulte. Cela a des implications importantes sur les coûts dans les zones rurales chaudes, avec de rares carrières pour disposer de granulats de bonne qualité puisque des granulats arrondis et non conformes donnent des résultats de performance probants, mais aussi en réduisant l’épaisseur de l’enrobé bitumineux, ramenant du fait même les coûts à des niveaux un peu plus raisonnables, plus proches des économies générées par la réduction des coûts du transport résultant d’une route en meilleur état, plus longtemps.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 139-151).
Mots-clés libres: enrobé à chaud, ciment Portland, fibre de cellulose, charge, B60/70, stabilité, rigidité, ornières, compacteur giratoire et analyseur d'orniérage de chaussée, analyse structurale
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Assaf, Gabriel
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 23 juin 2022 17:26
Dernière modification: 23 juin 2022 17:26
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3025

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