Development of mix design guidelines for high performance RAP-predominant asphalt mixtures

Imaninasab, Reza (2023). Development of mix design guidelines for high performance RAP-predominant asphalt mixtures. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Incorporation of higher percentages of RAP has always been favorable since it reduces use of raw materials including bitumen and aggregates. Consequently, not only are asphalt mixtures with higher RAP cheaper compared to the ones with lower RAP amount, but they are also more environmentally friendly. This thesis deals with the asphalt mixtures in which the amount of reclaimed asphalt pavement (RAP) prevails the virgin aggregates. So far, utilization of up to 50% RAP in asphalt mixtures has been studied a lot and pavements containing RAP from 10% to 50% have been laid in all corners of the globe. As long as it is less than 50%, RAP is considered as an addition to the virgin aggregates whose gradation must comply with the standard’s recommendation. In contrast, in this study, RAP gradation remains as is in the stockpile and virgin aggregates are added in the minimal amount to correct the gradation. Concepts of Bailey method are used to design different aggregate blends with firm structures. Then, guidelines to prepare asphalt mixtures with very high RAP contents (>50%) is proposed and a mix design based upon simple tests corresponding to different aspects of performance is developed to find the optimum asphalt mixture among others. Since the proposed method is based on simple testing, which must be in order to be viable in all laboratories, it is required to further investigate the behavior and performance of the blends and verify the effectiveness of the mix design. First, behavior of asphalt mixtures and their corresponding binders were studied through dynamic complex modulus testing, 2S2P1D modeling and Shift-HomothetyShift in time-Shift (SHStS) transformation. Then, binder tests were carried out to find the best blending process representing asphalt binder inside asphalt mixtures in order to facilitate studies on effectiveness of rejuvenator that is a must in asphalt mixtures containing very high RAP. Finally, fatigue life as the main concern of the asphalt mixtures with very high RAP content was examined using classical and visco-elastic continuum damage (VECD) approaches. Results indicate the high efficiency of Bailey method concepts in improving rutting resistance. Also, the mix design was found effective though not perfect in ranking different asphalt mixtures with respect to fatigue performance. The framework of the mix design is strong but the fatigue evaluation must be according to advanced testing and analysis since it is a complicated phenomenon. VECD is a better approach compared to classical one in analyzing fatigue life of asphalt mixtures containing very high RAP. With regard to blending process, there was no single blending conditions that can represent exactly all rheological properties of extracted and recovered bitumen from mixtures with very high RAP content. Also, asphalt binder is not an indicative of the behavior of asphalt mixture with very high RAP content at all temperatures and frequencies; it is more impactful and, subsequently, more representative at high temperatures and/or low frequencies.

Titre traduit

Développement de directives de conception de l'enrobé et évaluation des performances d'enrobés à prédominance de GBR

Résumé traduit

L'incorporation de quantité élevée de granulat bitumineux recyclé (GBR) dans les enrobés a toujours été une bonne chose, car elle réduit l'utilisation de matières premières comme le bitume et les granulats. Par conséquent, non seulement les enrobés bitumineux à forte teneur en GBR sont moins chers que ceux qui contiennent une quantité plus faible de matériaux recyclés, mais ils sont également plus respectueux de l'environnement. Cette thèse traite des mélanges bitumineux dans lesquels la quantité d'enrobés recyclés (GBR) l'emporte sur les agrégats vierges. Jusqu'à présent, l'utilisation de jusqu’à 50 % de GBR dans les enrobés a été beaucoup étudiée et des chaussées contenant de 10 % à 50 % de GBR ont été posées dans tous les coins de la planète. Tant qu'il est inférieur à 50 %, le GBR est considéré comme un ajout aux granulats vierges dont la granulométrie doit être conforme aux recommandations de la norme. En revanche, dans cette étude, la granulométrie du GBR n’est pas modifiée, et une quantité minimale de granulats vierges sont ajoutés aux granulats vierges pour corriger la granulométrie. Les concepts de la méthode Bailey sont utilisés pour concevoir différents mélanges d'agrégats avec des structures rigides. Ensuite, des lignes directrices pour la préparation d'enrobés bitumineux à très haute teneur en matériaux recyclés (>50%) sont proposées, et une méthode de formulation basée sur des essais simples correspondant à différents aspects de la performance est développée pour trouver l'enrobé optimal. Étant donné que la méthode proposée est basée sur des essais simples, qui doivent être viables dans tous les laboratoires, il est nécessaire d'étudier plus en détail le comportement et les performances des mélanges et de vérifier l'efficacité de la conception du mélange. Tout d'abord, le comportement des mélanges bitumineux et de leurs liants correspondants a été étudié à l'aide d'essais dynamiques du module complexe, de la modélisation 2S2P1D et de la transformation ShiftHomothétie-Shift in Time-Shift (SHStS). Ensuite, des essais sur les liants ont été réalisés pour trouver le meilleur processus de mélange représentant le liant bitumineux afin de faciliter les études sur l'efficacité du rajeunisseur qui est indispensable dans les mélanges d'enrobés contenant de très grandes quantités de GBR. Enfin, la durée de vie en fatigue, principale préoccupation des mélanges bitumineux à très forte teneur en GBR, a été examinée à l'aide de méthodes classiques et de l'endommagement des milieux viscoélastiques (VECD). Les résultats indiquent la grande efficacité des concepts de la méthode Bailey dans l'amélioration de la résistance à l'orniérage. En outre, la conception du mélange s'est avérée efficace, bien qu'imparfaite, pour classer différents d’enrobés en ce qui concerne la performance en fatigue. Le cadre de la conception du mélange est solide, mais l'évaluation de la fatigue doit s'appuyer sur des tests et des analyses avancés, car il s'agit d'un phénomène complexe. Le VECD est une meilleure approche que l'approche classique pour analyser la résistance à la fatigue des enrobés contenant une très grande quantité de GBR. En ce qui concerne le processus de mélange, il n'existe pas de conditions de mélange uniques qui puissent représenter exactement toutes les propriétés rhéologiques des bitumes extraits et récupérés dans les mélanges à très forte teneur en GBR. De même, le comportement du liant bitumineux n'est pas un indicateur du comportement d'un mélange bitumineux à très forte teneur en matériaux recyclés à toutes les températures et à toutes les fréquences ; il a plus d'impact et, par conséquent, est plus représentatif à des températures élevées et/ou à des fréquences faibles.

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 247-261).
Mots-clés libres:	la méthode Bailey, granulats bitumineux recyclés (GBR), modèle 2S2P1D, propriétés rhéologiques, formulation, endommagement des milieux viscoélastiques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Carter, Alan
Codirecteur:	Codirecteur Loria-Salazar, Luis G.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 mai 2023 13:57
Dernière modification:	08 mai 2023 13:57
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3222

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