Towards sustainable road infrastructure: framework and strategy for construction materials

Ibrahim, Nassraddin (2024). Towards sustainable road infrastructure: framework and strategy for construction materials. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

All road agencies worldwide design their roads based on traffic levels and existing soil conditions very often regardless of the availability of materials. This results in the depletion of very scarce resources and ever-increasing hauling distances from quarries to the road alignment. In some countries in Africa, such as Libya, Mali, Cote d’Ivoire, Chad and Senegal, the hauling distances in some remote areas can reach over 500 km.

A national level inventory of available sand pits and quarries is frequently not performed and therefore, there is commonly no national strategy to protect scarce aggregate resources, which are taken for granted despite that they are nonrenewable recourses. The preliminary estimation by engineers of the capacity power of the potential quarries for a road project is predominantly not available or otherwise inaccurate until the contract is awarded. This “last minute” investigation of good quality construction materials can no longer be an acceptable solution in today's sustainable culture. As such, it is paramount to identify all the existing road construction materials in a country by performing the inventory of potential source materials such as sand and gravel before any design or major road construction is undertaken. This requires developing a framework to manage and control the use of basic materials to meet current and future needs.

To formulate an effective strategy requires acquiring and organizing an extensive amount of information, including an inventory of the potential road construction materials available. This inventory would also need to contain the total existing road network and the projected roads, and estimations of the quantities of materials required for new road construction and rehabilitation of existing roads.

This thesis develops a methodology to establish the inventory of existing road construction materials in any country and to determine road construction material needs for the next 50 years. This is paramount to justify and develop a national framework to align available geological resources to new road material needs. The validation of the methodology is conducted in Libya.

This research is divided into three main parts: 1) identifying the potential aggregate resources by using Google Earth Pro and its application for Libya, 2) determining the future construction materials demand for the next 50 years from the projected road network expansion and a pavement design catalogue, and 3) establishing a sustainable aggregate materials strategy.

The application of the methodology for Libya shows that 38.3 million tons of aggregates are available for road construction from 21 active quarries and, the projected expansion of the road network will be around 95,180 km over the next 50 years. This translates to over 250,000,000 m3 of materials that will be required for road construction, maintenance, and rehabilitation. The analysis also shows that there is a substantial gap in the availability of materials and the future demand for road construction materials. Therefore, there is a need to develop a national strategy to optimize the use of the scarce aggregates available.

The proposed strategy is intended to better manage new material consumption by optimizing the pavement design catalogue in order to reduce the specified material quantities to a minimum by utilizing material stabilization that maximize pavement strength with limited amounts of materials, with the objective of protecting scarce resources as dictated by the environmental and social performance standards of the International Finance Corporation.

This aforementioned strategy of optimizing pavement design structures could save around 85,000,000 m3 of virgin material over the next 50 years or around 1,785 m3/km of virgin materials for a typical median road. The savings in virgin materials reach 3,750 m3/km for the projected trans-Libyan highway. In addition to saving non-renewable and scare material resources, the optimized design proposed in this research also reduces the cost of the 1,400- km trans-Libyan highway by 400-550 M$ based on 75-100$/m3, depending on the distance to the quarry. Also, the modified design would additionally have environmental benefits by reducing greenhouse gas emissions. The study concludes that reducing pavement thicknesses by resorting to cement reduces the overall pavement cost and is a cost-effective and sustainable solution for meeting future local demand for aggregate materials in countries with limited aggregate resources.

While this research validates the study only on Libya, the established sustainable aggregate material strategy will also help pavement management decision-makers in other developing countries to produce four significant benefits. These benefits include improved pavement performance, diminishing the usage of virgin materials, reducing construction and maintenance costs, and minimizing environmental damage.

Titre traduit

Vers des infrastructures routières durables : cadre et stratégie pour les matériaux de construction

Résumé traduit

Toutes les agences routières du monde entier conçoivent leurs routes en fonction des niveaux de trafic et des conditions de sol existantes, très souvent indépendamment de la disponibilité des matériaux. Cela entraîne l'épuisement de ressources très rares et des distances de transport sans cesse croissantes entre les carrières et le tracé de la route. Dans certains pays d'Afrique, comme la Libye, le Mali, la Côte d'Ivoire, le Tchad et le Sénégal, les distances de transport dans certaines régions reculées peuvent atteindre plus de 500 km.

Un inventaire au niveau national des sablières et carrières disponibles n'est souvent pas réalisé et, par conséquent, il n'existe généralement aucune stratégie nationale pour protéger les rares ressources en granulats, qui sont considérées comme allant de soi bien qu'il s'agisse de ressources non renouvelables. L'estimation préliminaire par les ingénieurs de la puissance de capacité des carrières potentielles pour un projet routier n'est généralement pas disponible ou inexacte jusqu'à ce que le contrat soit attribué. Cette enquête de « dernière minute » sur des matériaux de construction de bonne qualité ne peut plus être une solution acceptable dans la culture durable d'aujourd'hui. En tant que tel, il est primordial d'identifier tous les matériaux de construction de routes existants dans un pays en réalisant l'inventaire des matériaux sources potentiels tels que le sable et le gravier avant toute conception ou construction de routes majeures. Cela nécessite l'élaboration d'une politique de gestion et de contrôle de l'utilisation des matériaux de base pour répondre aux besoins actuels et futurs.

Formuler une stratégie efficace nécessite d'acquérir et d'organiser une grande quantité d'informations, y compris un inventaire des matériaux de construction routière potentiels disponibles. Cet inventaire devrait également contenir l'ensemble du réseau routier existant et les routes projetées, ainsi que des estimations des quantités de matériaux nécessaires pour la construction de nouvelles routes et la réhabilitation des routes existantes.

Cette thèse développe une méthodologie pour établir l'inventaire des matériaux de construction routière existants dans n'importe quel pays et pour déterminer les besoins en matériaux de construction routière pour les 50 prochaines années. Ceci est primordial pour justifier et développer un cadre politique national pour aligner les ressources géologiques disponibles sur les nouveaux besoins en matériaux routiers. La validation de la méthodologie est menée en Libye.

Cette recherche est divisée en trois parties principales : 1) identifier les ressources potentielles en granulats en utilisant Google Earth Pro et son application pour la Libye, 2) déterminer la future demande en matériaux de construction pour les 50 prochaines années à partir de l'expansion prévue du réseau routier et d'une conception de chaussée catalogue, et 3) établir une stratégie de matériaux de granulats durables.

L'application de la méthodologie pour la Libye montre que 38,3 millions de tonnes d'agrégats sont disponibles pour la construction de routes à partir de 21 carrières actives et que l'expansion prévue du réseau routier sera d'environ 95 180 km au cours des 50 prochaines années. Cela se traduit par plus de 250 000 000 m3 de matériaux qui seront nécessaires pour la construction, l'entretien et la réhabilitation des routes. L'analyse montre également qu'il existe un écart substantiel entre la disponibilité des matériaux et la demande future de matériaux de construction routière. Il est donc nécessaire d’élaborer une stratégie nationale pour optimiser l’utilisation des rares granulats disponibles.

La stratégie proposée vise à mieux gérer la consommation de nouveaux matériaux en optimisant le catalogue de conception de chaussée afin de réduire au minimum les quantités de matériaux spécifiées en utilisant une stabilisation des matériaux qui maximise la résistance de la chaussée avec des quantités limitées de matériaux, dans le but de protéger les ressources rares comme dicté par les normes de performance environnementale et sociale de la Société Financière Internationale.

Cette stratégie susmentionnée d'optimisation des structures de conception des chaussées pourrait permettre d'économiser environ 85 000 000 m3 de matériaux vierges au cours des 50 prochaines années, soit environ 1 785 m3/km de matériaux vierges pour une route médiane typique. Les économies de matériaux vierges atteignent 3 750 m3/km pour le projet d'autoroute translibyenne. En plus d'économiser des ressources matérielles non renouvelables et rares, la conception optimisée proposée dans cette recherche réduit également le coût de l'autoroute translibyenne de 1 400 km de 400 à 550 M$ sur la base de 75 à 100 $/ m3, selon la distance de la carrière. En outre, la conception modifiée aurait en outre des avantages environnementaux en réduisant les émissions de gaz à effet de serre. L'étude conclut que la réduction de l'épaisseur des chaussées en recourant au ciment réduit le coût global de la chaussée et constitue une solution rentable et durable pour répondre à la future demande locale de granulats dans les pays aux ressources en granulats limitées.

Bien que cette recherche valide celle portant uniquement sur la Libye, la stratégie établie en matière de granulats durables aidera également les décideurs en matière de gestion des chaussées dans d'autres pays en développement à produire quatre avantages significatifs. Ces avantages comprennent l'amélioration des performances de la chaussée, la diminution de l'utilisation de matériaux vierges, la réduction des coûts de construction et d'entretien et la minimisation des dommages environnementaux.

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 99-116).
Mots-clés libres:	route, matériaux, Google Earth Pro, carrière, inventaire, stabilisation du ciment, conception de la chaussée, durabilité, stratégie, Libye, pays en développement
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Assaf, Gabriel J.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 nov. 2024 18:23
Dernière modification:	13 nov. 2024 18:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3499

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