Effects of lignin on the properties and performance of bitumen and hot mix asphalt

Al-Falahat, Wesam (2024). Effects of lignin on the properties and performance of bitumen and hot mix asphalt. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This research program aims to investigate the effects of lignin addition, in powder and pellet form, on the properties of bitumen and performance of HMA. The incorporation process of different lignin contents into bitumen is investigated in order to select the parameters (temperature, speed and duration) of the incorporation process and to show the effect of each parameter on the stability and homogeneity of the modified bitumen. The incorporation process is evaluated by performing storage stability test and microscope observation. Afterwards, the rheological and chemical properties of lignin-modified bitumen are studied in detail by performing Brookfield rotational viscometer (BRV), dynamic shear rheometer (DSR), multiple stress creep recovery (MSCR), bending beam rheometer (BBR), full complex modulus (G*) and Fourier-transform infrared (FTIR) tests. The anti oxidative effect of the lignin on the aging properties of the lignin modified bitumen is also discussed. For HMA, shear gyratory compaction (SGC) tests are performed to examine the lignin effects on the compactability of modified HMA by using the wet and dry process. Following, the HMA performance is evaluated through a series of tests, including moisture sensitivity, indirect tensile strength (ITS), complex modulus (E*), rutting and thermal stress restrained specimen test (TSRST). The results show that the lignin is stable in bitumen and lignin is well dispersed and distributed over bitumen. The effect of incorporation temperature and duration on the stability and homogeneity of bitumen should be considered for high lignin content. Lignin powder increases the viscosity of the bitumen, stiffness at high and low temperatures and resistance to permanent deformation, while the pellets show different behaviour which is due to the presence of soybean oil that dilutes the bitumen. Lignin does not show anti oxidative aging properties of bitumen. For the HMA compactability, lignin increases the air voids content, while the tall oil decreases it. The wet process shows lower air voids than the dry process. Lignin improves the moisture sensitivity and rutting resistance of HMA. Lignin increases the stiffness of the bitumen and decreases the phase angle. Adding low lignin content does not show a significant change on the low temperature performance, while high lignin content reduces the resistance to thermal cracking. Overall, it is possible to replace part of the bitumen by lignin.

Titre traduit

Effets de la lignine sur les propriétés et les performances du bitume et des enrobés chauds à l'asphalte

Résumé traduit

Ce programme de recherche vise à étudier les effets de l'ajout de lignine, sous forme de poudre et de granules, sur les propriétés du bitume et les performances des enrobés (HMA). Le processus d'incorporation de différentes teneurs en lignine dans le bitume est étudié afin de sélectionner les paramètres (température, vitesse et durée) du processus d'incorporation et de montrer l'effet de chaque paramètre sur la stabilité et l'homogénéité du bitume modifié. Le processus d'incorporation est évalué en effectuant un test de stabilité au stockage et une observation au microscope. Ensuite, les propriétés rhéologiques et chimiques du bitume modifié par la lignine sont étudiées en détail à l'aide du viscosimètre rotatif Brookfield (BRV), du rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR), de la récupération par fluage sous contraintes multiples (MSCR), du rhéomètre à flexion de poutres (BBR), du module complexe complet (G*) et des tests infrarouges à transformée de Fourier (FTIR). L'effet antioxydant de la lignine sur les propriétés de vieillissement du bitume modifié par la lignine est également discuté. Pour les enrobés, des essais de compactage par cisaillement giratoire (PCG) sont effectués pour examiner les effets de la lignine sur la compactabilité de l'enrobé modifié en utilisant le processus humide et sec. Ensuite, la performance de l'enrobé est évaluée par une série d'essais, y compris la sensibilité à l'humidité, la résistance à la traction indirecte (ITS), le module complexe (E*), l'orniérage, et l'essai de retrait thermique empêché (TSRST). Les résultats montrent que la lignine est stable dans le bitume et que la lignine est bien dispersée et répartie sur le bitume. L'effet de la température et de la durée d'incorporation sur la stabilité et l'homogénéité du bitume doit être pris en compte pour les teneurs élevées en lignine. La poudre de lignine augmente la viscosité du bitume, la rigidité à haute et basse température et la résistance à la déformation permanente. Les granules de lignine ont un comportement différent qui est dû à la présence d'huile de soja qui dilue le bitume. La lignine ne présente pas d’effet antioxydant limitant le vieillissement du bitume. Aussi, la lignine augmente la teneur en vides d'air dans les enrobés, et le processus humide produit des vides d'air plus faibles que le processus sec. Le tall oil des granules diminue la teneur en vides d'air. La lignine améliore la sensibilité à l'humidité et la résistance à l'orniérage de l'enrobé. La lignine augmente la rigidité du bitume et diminue l'angle de phase. L'ajout d'une faible teneur en lignine ne montre pas de changement significatif sur la performance à basse température, tandis qu'une teneur élevée en lignine réduit la résistance à la fissuration thermique. Globalement, il est possible de remplacer une partie du bitume par de la lignine.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 227-246).
Mots-clés libres:	lignine, bitume, HMA, rhéologie, performances thermomécaniques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Carter, Alan
Codirecteur:	Codirecteur Carret, Jean-Claude
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 déc. 2024 20:22
Dernière modification:	16 déc. 2024 20:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3508

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