Predicting the properties of a mixture produced using “cold” technology with foamed bitumen in terms of the properties of hydraulic binder mortars

• Autorzy: Buczyński Przemysław , Mazurek Grzegorz , Iwański Marek

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.023.019

Warianty tytułu

PL

Prognozowanie właściwości mieszanki mineralno-spoiwowej wytwarzanej w technologii na „zimno" z asfaltem spienionym w aspekcie właściwości zapraw ze spoiw hydraulicznych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The paper presents the correlation between the mechanical properties of the mineral-aggregate mixture with foamed bitumen (MCAS) and the mechanical properties of mortars containing hydraulic binder. A significant aspect of the presented research results was an attempt to determine whether it is possible to predict the properties of the recycled cold mix with foamed bitumen (MCAS) based on preliminary results obtained for mortars. The prediction of MCAS properties through mortar properties was limited to basic mechanical properties of mortars, namely compressive strength (RC) and flexural tensile strength (Rf). To achieve this goal, seven hydraulic binders were designed with a controlled composition using a simplex-centroid experimental plan known as the mixture design plan. The components of the hydraulic binders used in its composition were Portland cement CEM I 32.5R, hydrated lime Ca(OH)2, and by-products of cement production in powder form (UCPP). The designed and prepared hydraulic binders were then used in the composition of the mineralaggregate mixture with foamed bitumen at a quantity of 3.0% (m/m). Subsequently, in laboratory conditions, the mineralaggregate mixture with foamed bitumen was prepared, and mechanical property tests were conducted, including indirect tensile strength (ITSDRY), axial compressive strength (UCS), modulus of stiffness (Sm), fracture toughness (KIC), and the dynamic modulus |E*| determined as a function of frequency and temperature. The analysis results suggest that there is potentially the ability to predict selected mechanical properties of the MCAS mixture by analyzing the mechanical results for mortars. However, this application is limited. The research results obtained for non-destructive properties, such as the dynamic modulus |E*|, are satisfactorily described by the compressive strength results of mortars after 28 days of curing. Other analyzed characteristics did not show a significant correlation.

PL

W artykule przedstawiono korelację pomiędzy właściwościami mechanicznymi mieszanki mineralno-spoiwowej z asfaltem spienionym (MCAS) a właściwościami mechanicznymi zapraw, w których składzie zastosowano spoiwo hydrauliczne. Istotą prezentowanych wyników badań była próba wyjaśnienia, czy za pomocą wstępnych wyników badań uzyskanych dla zapraw możliwe jest prognozowanie właściwości recyklowanej mieszanki na zimno z asfaltem spienionym (MCAS). Prognozę cech MCAS przez właściwości zapraw ograniczono do podstawowych właściwości mechanicznych zapraw, tj. wytrzymałości na ściskanie (RC) oraz wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu (Rf). Do osiągnięcia zamierzonego celu zaprojektowano siedem spoiw hydraulicznych o składzie kontrolowanym poprzez plan eksperymentu sympleksowo-centroidowy, zwany planem mieszaniny. Składniki spoiw hydraulicznych, które zostały wykorzystane do jego kompozycji to: cement portlandzki CEM I 32,5R, wapno hydratyzowane Ca(OH)2 oraz uboczne cementowe produkty pylaste (UCPP). Zaprojektowane i przygotowane w warunkach laboratoryjnych spoiwa hydrauliczne zastosowano w składzie mieszanki mineralno-spoiwowej z asfaltem spienionym w ilości 3,0% (m/m). Następnie w warunkach laboratoryjnych przygotowano mieszankę mineralno-spoiwową z asfaltem spienionym i wykonano badania właściwości mechanicznych, tj. wytrzymałość na pośrednie rozciąganie ITSDRY, wytrzymałość na ściskanie osiowe UCS, moduł sztywności (Sm), odporność na pękanie (KIC) oraz moduł dynamiczny |E*| wyznaczony w funkcji częstotliwości i temperatury. Wyniki analiz pozwalają stwierdzić, że istnieje potencjalnie możliwość prognozowania wybranych właściwości mechanicznych mieszanki MCAS dzięki analizie wyników mechanicznych dla zapraw. Ma to jednak ograniczone zastosowanie. Wyniki badań uzyskane dla właściwości nieniszczących, tj. dla modułu dynamicznego |E*|, w sposób zadowalający zostają opisane przez wyniki wytrzymałości zapraw na ściskanie po 28 dniach pielęgnowania. Pozostałe analizowane cechy nie wykazały istotnej zależności.

Słowa kluczowe

EN

cold-recycled asphalt mixture; foamed bitumen; hydraulic binder; deep cold recycling; correlation

PL

podbudowa recyklowana; asfalt spieniony; spoiwo hydrauliczne; recykling głęboki na zimno; korelacja

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 22, no. 4
• Strony: 363--378
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Buczyński Przemysław

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce

• https://orcid.org/0000-0003-0798-8093

autor

Mazurek Grzegorz

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce

• https://orcid.org/0000-0002-9735-1725

autor

Iwański Marek

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce

• https://orcid.org/0000-0002-0414-682X

Bibliografia

• 1. Czapik P., Zapała-Sławeta J., Owsiak Z., Stępień P.: Hydration of cement by-pass dust. Construction and Building Materials, 231, 117139, 2020, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117139
• 2. Szyller A., Król J., Bańkowski W.: Współczesne doświadczenia ze stosowania recyklingu na gorąco w wytwórni mieszanek mineralno-asfaltowych w Polsce. Nawierzchnie asfaltowe, 1, 2017
• 3. Dołżycki B.: Polish experience with cold in-place recycling. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 236, 012089, 2017, DOI: 10.1088/1757-899X/236/1/012089
• 4. Skotnicki Ł., Kuźniewski J., Szydło A.: Stiffness Identification of Foamed Asphalt Mixtures with Cement, Evaluated in Laboratory and In Situ in Road Pavements. Materials, 13, 5, 1128, 2020, DOI: 10.3390/ma13051128
• 5. Iwański M., Mazurek G., Buczyński P.: Bitumen Foaming Optimisation Process on the Basis of Rheological Properties. Materials, 11, 10, 1854, 2018, DOI: 10.3390/ma11101854
• 6. Niazi Y., Jalili M.: Effect of Portland cement and lime additives on properties of cold in-place recycled mixtures with asphalt emulsion. Construction and Building Materials, 23, 3, 2009,1338–1343, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2008.07.020
• 7. Kukiełka J,. Bańkowski W.: The experimental study of mineral-cement-emulsion mixtures with rubber powder addition. Construction and Building Materials, 226, 2019, 759–766, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.07.276
• 8. Dołżycki B.: Spękania nawierzchni z podbudową mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej na przykładzie drogi krajowej nr 7. Drogownictwo, 12, 2009, 411–417
• 9. Baghini M.S., Ismail A., Bin Karim M.R.: Evaluation of cement-treated mixtures with slow setting bitumen emulsion as base course material for road pavements. Construction and Building Materials, 94, 2015, 323–336, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.07.057
• 10. Kavussi A., Modarres A.: Laboratory fatigue models for recycled mixes with bitumen emulsion and cement. Construction and Building Materials, 24, 10, 2010, 1920–1927, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2010.04.009
• 11. Raport z Projektu Badawczego – Nowoczesne Technologie Materiałowe TECHMATSTRATEG I „Innowacyjna technologia wykorzystująca optymalizację środka wiążącego przeznaczonego do recyklingu głębokiego na zimno konstrukcji nawierzchni zapewniająca jej trwałość eksploatacyjną”. (TECHMATSTRATEG1/349326/9/NCBR/2017). NCBiR, 2017–2021
• 12. Iwański M., Mazurek G., Buczyński P., Iwański M.M.: Effects of hydraulic binder composition on the rheological characteristics of recycled mixtures with foamed bitumen for full depth reclamation. Construction and Building Materials, 330, 127274, 2022, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127274
• 13. Montgomery D.C.: Design and analysis of experiments. 10th Edition. John Wiley & Sons Inc., Hoboken, 2013
• 14. Deming S.N., Morgan S.L.: Experimental design: a chemometric approach. Second, revised and expanded edition. Amsterdam, Elsevier, 1993
• 15. Dołżycki B.: Instrukcja projektowania i wbudowania mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych (MCE). Warszawa, GDDKiA, 2014
• 16. Dołżycki B., Jaczewski M., Szydłowski C., Bańkowski W., Gajewski M.: Analysis of selected mechanical properties of mineral-cement-emulsion mixtures (MCE). Roads and Bridges – Drogi i Mosty, 22, 1, 2023, 41–61, DOI: 10.7409/rabdim.023.003
• 17. Iwański M., Buczyński P.: Properties of the Recycled Base Course with Respect to the Road Binder Type. The 9th International Conference „Environmental Engineering” 22–23 May 2014, Vilnius, Lithuania, DOI: 10.3846/enviro.2014.156
• 18. Owsiak Z., Czapik P., Zapała-Sławeta J.: Properties of a Three-Component Mineral Road Binder for Deep-Cold Recycling Technology. Materials, 13, 16, 2020, DOI: 10.3390/ma13163585
• 19. Iwański M., Mazurek G., Chomicz-Kowalska A., Buczyński P., Cholewińska M., Iwański M.M., Maciejewski K., Ramiączek P.: Influence of mixed hydraulic binder on the properties of recycled asphalt mixtures with foamed bitumen. Roads and Bridges – Drogi i Mosty, 22, 1, 2023, 81–114, DOI: 10.7409/rabdim.023.005
• 20. Cold – Recycling Technology. Wirtgen Group, 2012
• 21. Csanyi L.H.: Foamed asphalt. American Road Builders Association (ARBA), Technical Bulletin, 240, 1959, 3–14
• 22. Guatimosim F.V.K., Vasconcelos L., Bernucci L.L.B., Jenkins K.J.: Laboratory and field evaluation of cold recycling mixture with foamed asphalt. Road Materials and Pavement Design, 19, 2, 2018, 385–399, DOI: 10.1080/14680629.2016.1261726
• 23. Iwański M., Chomicz-Kowalska A., Mazurek G., Buczyński P., Cholewińska M., Iwański M.M., Maciejewski K., Ramiączek P.: Effects of the Water-Based Foaming Process on the Basic and Rheological Properties of Bitumen 70/100. Materials, 14, 11, 2021, DOI: 10.3390/ma14112803
• 24. PN-EN 13286-2 :2010 Mieszanki niezwiązane i związane hydraulicznie. Część 2: Metody badań laboratoryjnych gęstości na sucho i zawartości wody. Zagęszczanie metodą Proctora
• 25. PN-EN 13282-1:2013-07 Hydrauliczne spoiwa drogowe: Część 1: Hydrauliczne spoiwa drogowe szybkowiążące. Skład wymagania i kryteria zgodności
• 26. PN-EN 13282-2:2015-06 Hydrauliczne spoiwa drogowe: Część 2: Hydrauliczne spoiwa drogowe normalnie wiążące. Skład wymagania i kryteria zgodności
• 27. Owsiak Z., Zapała-Sławeta J., Czapik P.: Raport 1/1/PŚk/2018 – Wyniki badań innowacyjnego środka wiążącego. Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 2018
• 28. PN-EN 196-1 Metody badania cementu: Część 1: Oznaczanie wytrzymałości
• 29. Wiłun Z.: Zarys geotechniki: podręcznik akademicki. Warszawa, WKŁ, 2013
• 30. Tayeh B.A., Hamada H.M., Almeshal I., Bakar B.H.A.: Durability and mechanical properties of cement concrete comprising pozzolanic materials with alkali-activated binder: A comprehensive review. Case Studies in Construction Materials, 17, e01429, 2022, DOI: 10.1016/j.cscm.2022.e01429
• 31. Neville A.M., Ajdukiewicz A., Degler A., Kasperkiewicz J.: Właściwości betonu. Kraków, Stowarzyszenie Producentów Cementu, 2012
• 32. Sobczyk M.: Statystyka. Wyd. 5 uzup. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007
• 33. Steczkowski J., Zeliaś A.: Statystyczne metody analizy cech jakościowych. Warszawa, PWE, 1981

Uwagi

An extended version of the article from the Conference ‟Modern Road Pavements – MRP’2023” – Recycling in road pavement structures co-edited by Martins Zaumanis and Marcin Gajewski, published in frame of the Ministry of Education and Science project No. RCN/SP/0569/2021/1.