Investigation of the rejuvenator content effect on the mechanical characteristics of cold recycled asphalt mixes

Emamgholi, Bita (2022). Investigation of the rejuvenator content effect on the mechanical characteristics of cold recycled asphalt mixes. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Asphalt pavements usually lose their essential bituminous components by the time (as they age) which leads to cracking, brittleness and in general low mechanical properties of the pavement. Therefore, pavements need a partial or full treating (recycling) to prevent its deterioration. Nowadays, aside from the conventional hot recycling methods, cold recycling pavement technologies due to the energy source's limitation and also environmental concerns (eliminating of fume and particle emission to the atmosphere) are highly in demand. Maintenance activities of old pavements (that need rehabilitation) using secondary and waste materials (Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) produced by crunching old bituminous pavement) is of important manifestations of the construction potential share in the sustainability goals. Cold Recycled Mixes (CRM) can be made of 100% of recycled materials. However, one of the major challenges in this process is that, the bitumen included in the recycled materials is not usable in the new mix. Therefore, adding a high amount of new bitumen to the base pavement increases the process cost.

The use of a rejuvenator could potentially mobilize the aged binder included in the recycled material, and it would change the behaviour of the mix and asphalt binder leading to higher possible amount of RAP usage in the mixture, enhanced cracking and rutting resistance. The positive effect of rejuvenators in the hot asphalt recycling has been approved in the literature. The main objective of the present research was to evaluate the feasibility of using a rejuvenator with cold recycled materials. The specific objectives were to assess the physical and chemical interaction between the RAP and its bitumen content with the additive rejuvenator. This was aimed to quantify the impact of the rejuvenator addition in cold recycled mixes (CRM) rehabilitation (such as new cluster creation) and RAP rheological properties (tensile strength), and its corresponding rehabilitated bitumen properties. The secondary objective was then to optimize the amount of added bitumen to those mixes using effective employment of rejuvenators in different cold mix preparation scenarios. To do so the effect of rejuvenator content in different aspects of asphalt rehabilitation including clustering effect, and rheological characterization of the cold mixes were examined in different conditions of specimen preparation. Several specimen characteristics and specimen preparation parameters such as RAP size, RAP content in the mixture, specimen preparation temperature, curing time, compaction were analyzed in parallel to the rejuvenator content percentage in the mix. Besides, FTIR tests were conducted to find out the whether the rejuvenator effect had a chemical reaction (new chemical bonding) nature or it comes with some physical property modification in the mixture. The studied RAP was collected from the metropolitan area of the Montreal, and SYLVAROAD PR1000 commercial rejuvenator was used for the investigations.

Results indicated that although the rejuvenator content could significantly affect the clustering formation in the cold mix, the RAP content and its corresponding size as well as mixture preparation process (compaction and preparation temperature) had significant effect both on the cluster formation and rheological properties of the RAP such as tensile strength in IDT tests. In the case of new cluster formation in the rehabilitated materials, results showed that an increase in the rejuvenator content would result in an increase in the cluster formation. However, this effect was significantly increased when it was combined with the compaction. The same RAP IDT tests revealed that the optimum additive content is significantly affected by the preparation temperature where an increase in the specimen preparation temperature resulted in reduction in the required optimum content of rejuvenator (4% for specimen preparation at 40 ℃ and 7% for preparation at 60 ℃). Furthermore, rehabilitated extracted bitumen analysis showed that an increase in the rejuvenator content in the initial RAP could increase the low temperature and high temperature performance of the bitumen, however, the shear complex modulus suggested 7% additive percentage as the optimum content in this setup of materials. Finally, the chemical bonding analysis in the Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) test could not reveal any effective chemical alteration/production in chemical functional groups of the tested materials as a result of rejuvenator addition in the rehabilitated extracted bitumen. In other words, results suggest that the rejuvenator effects are mostly controlled by the physical modification of the mix such as viscosity reduction, etc).

Titre traduit

Étude de l'effet de la teneur en rajeunissant sur les caractéristiques mécaniques des enrobés recyclés à froid

Résumé traduit

Les revêtements d’enrobés perdent généralement leurs composants bitumineux essentiels avec le temps (à mesure qu'ils vieillissent), ce qui entraîne des fissures, une fragilité et, en général, de faibles propriétés mécaniques du revêtement. Par conséquent, les chaussées ont besoin d'un traitement partiel ou complet (recyclage) pour éviter leur détérioration. De nos jours, outre les méthodes classiques de recyclage à chaud, les technologies de recyclage à froid du fait de la limitation de la source d'énergie, mais aussi des préoccupations environnementales (élimination des émissions de fumées et de particules dans l'atmosphère) sont très demandées. Les activités d'entretien des anciennes chaussées (nécessitant une réhabilitation) à l'aide de matériaux secondaires et de déchets (granulats bitumineux recyclés (GBR) produits en concassant d'anciennes chaussées bitumineuses) sont des manifestations importantes de la part potentielle de la construction dans les objectifs de durabilité. Les enrobés recyclés à froid (CRM) peuvent être composés à 100 % de matériaux recyclés. Cependant, l'un des défis majeurs de ce processus est que le bitume inclus dans les matériaux recyclés n'est pas utilisable dans le nouveau mélange. Par conséquent, l'ajout d'une grande quantité de nouveau bitume à la chaussée de base augmente le coût du processus.

L'utilisation d'un rajeunisseur pourrait potentiellement mobiliser le liant vieilli inclus dans le matériau recyclé, et cela modifierait le comportement du mélange et du liant d'asphalte, ce qui entraînerait une plus grande quantité possible d'utilisation de GBR dans le mélange, une meilleure résistance à la fissuration et à l'orniérage. L'effet positif des régénérateurs dans le recyclage de l'asphalte à chaud a été approuvé dans la littérature. L'objectif principal de la présente recherche était d'évaluer la faisabilité d'utiliser un régénérateur avec des matériaux recyclés à froid. Les objectifs spécifiques étaient d'évaluer l'interaction physique et chimique entre le RAP et sa teneur en bitume avec l'additif rajeunissant. Cela visait à quantifier l'impact de l'ajout de rajeunissant dans la réhabilitation des mélanges recyclés à froid (CRM) (comme la création de nouveaux clusters) et les propriétés rhéologiques du GBR (résistance à la traction), et ses propriétés correspondantes du bitume réhabilité. L'objectif secondaire était alors d'optimiser la quantité de bitume ajouté à ces enrobés en utilisant efficacement des régénérateurs dans différents scénarios de préparation d'enrobés à froid. Pour ce faire, l'effet de la teneur en rajeunissant dans différents aspects de la réhabilitation de l'asphalte, y compris l'effet de regroupement, et la caractérisation rhéologique des enrobés à froid ont été examinés dans différentes conditions de préparation des échantillons. Plusieurs caractéristiques d'échantillons et paramètres de préparation d'échantillons tels que la taille du size de GBR, la teneur en GBR dans le mélange, la température de préparation de l'échantillon, le temps de durcissement, le compactage ont été analysés en parallèle au pourcentage de teneur en rajeunissant dans le mélange. En outre, des tests FTIR ont été effectués pour déterminer si l'effet rajeunissant avait une nature de réaction chimique (nouvelle liaison chimique) ou s'il s'accompagnait d'une modification des propriétés physiques du mélange. Le GBR étudié a été collecté dans la région métropolitaine de Montréal, et le rajeunissant commercial SYLVAROAD PR1000 a été utilisé pour les investigations.

Les résultats ont indiqué que bien que la teneur en régénérateur puisse affecter de manière significative la formation d'agrégats dans l'enrobé à froid, la teneur en GBR et son size correspondant ainsi que le processus de préparation du mélange (compactage et température de préparation) avait un effet significatif à la fois sur la formation d'agrégats et les propriétés rhéologiques de l'enrobé. Dans le cas de la formation de nouveaux amas dans les matériaux réhabilités, les résultats ont montré qu'une augmentation de la teneur en rajeunissant entraînerait une augmentation de la formation d'amas. Cependant, cet effet était significativement accru lorsqu'il était combiné au compactage. Les mêmes tests IDT ont révélé que la teneur optimale en additif est significativement affectée par la température de préparation où une augmentation de la température de préparation de l'échantillon a entraîné une réduction de la teneur optimale requise en régénérateur (4 % pour la préparation de l'échantillon à 40 ℃ et 7 % pour la préparation à 60℃). De plus, l'analyse du bitume extrait a montré qu'une augmentation de la teneur en rajeunissant dans le GBR initial pourrait augmenter les performances à basse et à haute température du bitume, cependant, le module complexe de cisaillement suggérait un pourcentage d'additif de 7 % comme teneur optimale dans cette configuration de matériaux. Enfin, l'analyse de la liaison chimique dans le test de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) n'a pu révéler aucune altération/production chimique efficace dans les groupes fonctionnels chimiques des matériaux testés à la suite de l'ajout de rajeunissant dans le bitume extrait réhabilité. En d'autres termes, les résultats suggèrent que les effets rajeunissants sont principalement contrôlés par la modification physique du mélange telle que la réduction de la viscosité, etc.).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with a thesis in construction engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 120-125).
Mots-clés libres:	rajeunisseur, GBR, regroupement, chimie du bitume, IDT, FTIR, analyse rhéologique, mélange à froid
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Carter, Alan
Codirecteur:	Codirecteur Bressi, Sara
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	15 févr. 2023 15:28
Dernière modification:	15 févr. 2023 15:28
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3170

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