Fatigue durability of recycled mixtures with added cement dusty by-products (UCPP) in base layers

• Autorzy: Skotnicki Łukasz , Kuźniewski Jarosław

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.025.007

Warianty tytułu

PL

Trwałość zmęczeniowa mieszanek recyklowanych z dodatkiem ubocznych cementowych produktów pylastych (UCPP) w warstwach podbudowy

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

This paper describes the analyses of an innovative road binder based on cement dusty by-products (UCPP) used in mineral-cement-emulsion (MCE) mixtures and mineral-cement mixtures with foamed asphalt (MCAS). Innovative UCPP binders have been used as a replacement for traditional cement. Novel hydraulic binders reduce the rigidity of MCE and MCAS mixtures, which limits thermal and fatigue cracking of the base layers. In laboratory testing, seven different binders were tested – based on UCPP, lime, and traditional cement. The effect of these binders on mechanical properties of recycled MCE and MCAS mixes was analysed. Significant changes in the stiffness modulus and fatigue durability of the conglomerates have been demonstrated. The testing found that these innovative binders can be applied in the mixtures used for base layers. Optimum binders for application in both MCE and MCAS have been identified. The identified correlations will allow to speed-up the design process and selection of road pavement constructions used in the cold deep recycling process.

PL

W artykule przedstawiono analizy zastosowania innowacyjnego spoiwa drogowego opartego na ubocznych cementowych produktach pylastych (UCPP) w mieszankach mineralno-cementowo-emulsyjnych (MCE) i mieszankach mineralno-cementowych z asfaltem spienionym (MCAS). Podczas przeprowadzania badań mieszanek stosowanych w nawierzchniach asfaltowych w zamian klasycznego cementu zostały użyte spoiwa UCPP. Nowe spoiwa hydrauliczne wpływają na redukcję sztywności mieszanek MCE i MCAS, co ogranicza spękania termiczne oraz zmęczeniowe w warstwach podbudowy. W badaniach laboratoryjnych zastosowano siedem różnych spoiw opartych na UCPP, wapnie oraz klasycznym cemencie. Analizowano wpływ tych spoiw na właściwości mechaniczne recyklowanych mieszanek MCE i MCAS. Wykazano znaczące zmiany dotyczące modułu sztywności i trwałości zmęczeniowej wytworzonych konglomeratów. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że nowatorskie spoiwa mogą być stosowane w mieszankach przeznaczonych do warstw podbudowy. Wytypowano spoiwa optymalne do zastosowania zarówno w MCE jak i MCAS. Wykazane korelacje pozwolą na przyspieszenie procesu projektowania i doboru konstrukcji nawierzchni drogowych opartych na procesie recyklingu głębokiego na zimno.

Słowa kluczowe

EN

fatigue durability; innovative road binder; mineral-cement-emulsion mixture; mineral-cement mixture with foamed asphalt; recycling

PL

mieszanka mineralno-cementowo-emulsyjna; mieszanka mineralno-cementowa z asfaltem spienionym; innowacyjne spoiwo drogowe; recykling; trwałość zmęczeniowa

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 24, no. 2
• Strony: 145--166
• Opis fizyczny: Bibliogr. 46 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Skotnicki Łukasz

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, 41 Wybrzeże Stanisława Wyspiańskiego St., 50-370 Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4090-2311

autor

Kuźniewski Jarosław

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, 41 Wybrzeże Stanisława Wyspiańskiego St., 50-370 Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4071-9207

Bibliografia

• 1. Wang Z., Xiao Y., Aminu U.F., He Q., Li Y., Li W.: Prediction of resilient modulus and critical dynamic stress of recycled aggregates: Experimental study and machine learning methods. Transportation Geotechnics, 49, 8, 2024, Article ID: 101363, DOI: 10.1016/j.trgeo.2024.101363
• 2. Pevere A., Mouillet V., Boulange L., Gaudefroy V.: Air emissions contribution to complete environmental assessment of multi-recycled road materials incorporating reclaimed bituminous pavement for a better resource management. Resources, Conservation and Recycling, 212, 2025, Article ID: 108003, DOI: 10.1016/j.resconrec.2024.108003
• 3. Kukiełka J.: Recykling głęboki na zimno nawierzchni asfaltowych dróg samorządowych. Materiały budowlane, 12, 508, 2014, 11-13, DOI: 10.15199/33.2014.12.03
• 4. Kasulanati M.L., Pancharathi R.K.: Optimizing multi-recycled concrete for sustainability: Aggregate gradation, surface treatment methods and life cycle impact assessment. Construction and Building Materials, 449, 2024, Article ID: 138510, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138510
• 5. Hu B., Weng Y., Zhou Y., Li W., Huang X., Guo M.: Overcoming the weakness of recycled GFRP aggregate concrete: FRP confining and its design method. Construction and Building Materials, 445, 2024, Article ID: 137780, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.137780
• 6. Martinez-Arguelles G., Giustozzi F., Crispino M., Flintsch G.W.: Investigating physical and rheological properties of foamed bitumen. Construction and Building Materials, 72, 2014, 423-433, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.09.024
• 7. Maghool F., Arulrajah A., Ghorbani B., Horpibulsuk S.: Strength and permanent deformation properties of demolition wastes, glass, and plastics stabilized with foamed bitumen for pavement bases. Construction and Building Materials, 320, 2022, Article ID: 126108, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.126108
• 8. Iwański M., Mazurek G., Buczyński P., Zapała-Sławeta J.: Multidimensional analysis of foaming process impact on 50/70 bitumen Ageing. Construction and Building Materials, 266, Part B, 2021, Article ID: 121231, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121231
• 9. Mondal P.G., Kuna K.K.: Mix design considerations for foamed bitumen stabilized materials: A review. Construction and Building Materials, 326, 2022, Article ID: 126783, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.126783
• 10. Motevalizadeh S.M., Mollenhauer K.: Use of multivariate clustering analysis to investigate the physicochemical interactions in bitumen mastics using micromechanical modeling and FTIR spectroscopy. Construction and Building Materials, 448, 2024, Article ID: 138230, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138230
• 11. 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, 2022, Article ID: 127274, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127274
• 12. Pitawala S., Sounthararajah A., Bodin D., Kodikara J.: Advanced characterisation of flexural fatigue performance of foamed bitumen stabilised pavement materials. Construction and Building Materials, 341, 2022, Article ID 127881, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127881
• 13. Cheng Z., Kong F., Gao X.: Evaluating dynamic modulus of cold in-place recycling mixture with foamed bitumen using field core samples. Construction and Building Materials, 448, 2024, Article ID: 138227, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138227
• 14. Jahan H., Kar S.S., Swamy A.K.: Performance of foamed bituminous mixtures for the construction of pavements: A review. Construction and Building Materials, 453, 2024, Article ID: 139024, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.139024
• 15. Chomicz-Kowalska A., Maciejewski K.: Performance and viscoelastic assessment of high-recycle rate cold foamed bitumen mixtures produced with different penetration binders for rehabilitation of deteriorated pavements. Journal of Cleaner Production, 258, 2020, Article ID: 120517, DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.120517
• 16. Hashemian L., Kavussi A., Aboalmaali H.H.: Application of foam bitumen in cold recycling and hydrated lime in airport pavement strengthening. Case Studies in Construction Materials, 1, 2014, 164-171, DOI: 10.1016/j.cscm.2014.08.002
• 17. Oliveira J., Silva H., Martins A., Correia E., Pragosa J., Mendes P.: A pavement full-depth reclamation case study using cold in situ recycling with foamed bitumen. Transportation Research Procedia, 72, 2023, 4183-4190, DOI: 10.1016/j.trpro.2023.11.356
• 18. Iwański M., Chomicz-Kowalska A., Maciejewski K., Iwański M.M., Ramiączek P., Stępień J.: Evaluation of mixture grading and binder composition effects on the characteristics of cold-recycled mixtures with foamed bitumen. Transportation Research Procedia, 72, 2023, 2776-2783, DOI: 10.1016/j.trpro.2023.11.820
• 19. Skotnicki Ł.Z., Kuźniewski J., Szydło A.: Research on the properties of mineral-cement emulsion mixtures using recycled road pavement materials. Materials, 14, 3, 2021, Article ID: 563, DOI: 10.3390/ma14030563
• 20. Abreu L., Oliveira J., Silva H., Silva C., Palha D., Fonseca P.: Foamed bitumen: an alternative way of producing asphalt mixtures. Ciência & Tecnologia dos Materiais, 29, 1, 2017, e198-e203, DOI: 10.1016/j.ctmat.2016.07.004
• 21. Cuadri A.A., Perez-Moreno S., Altamar C.L., Navarro F.J., Bolívar J.P.: Phosphogypsum as additive for foamed bitumen manufacturing used in asphalt paving. Journal of Cleaner Production, 283, 2021, Article ID: 124661, DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.124661
• 22. Fang L., Zhou J., Yang Z., Yuan Q., Que Y.: Interaction between cement and asphalt emulsion and its influences on asphalt emulsion demulsification, cement hydration and rheology. Construction and Building Materials, 329, 2022, Article ID: 127220, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127220
• 23. Lu D., Jiang X., Tan Z., Yin B., Leng Z., Zhong J.: Enhancing sustainability in pavement Engineering: A-state-of-the-art review of cement asphalt emulsion mixtures. Cleaner Materials, 9, 2023, Article ID: 100204, DOI: 10.1016/j.clema.2023.100204
• 24. Dołżycki B., Jaczewski M., Szydlowski C.: The long-term properties of mineral-cement-emulsion mixtures. Construction and Building Materials, 156, 2017, 799-808, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.09.032
• 25. Dołżycki B., Jaczewski M., Szydłowski C.: The influence of binding agents on stiffness of mineral-cementemulsion mixtures. Procedia Engineering, 172, 2017, 239-246, DOI: 10.1016/j.proeng.2017.02.103
• 26. Dołżycki B., Jaskuła P.: Review and evaluation of cold recycling with bitumen emulsion and cement for rehabilitation of old pavements. Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition), 6, 4, 2019, 311-323, DOI: 10.1016/j.jtte.2019.02.002
• 27. Fang L., Zhou J., Yang Z., Yuan Q., Que Y.: Interaction between cement and asphalt emulsion and its influences on asphalt emulsion demulsification, cement hydration and rheology. Construction and Building Materials, 329, 2022, Article ID: 127220, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127220
• 28. Yang W., Ouyang J., Meng Y., Han B., Sha Y.: Effect of curing and compaction on volumetric and mechanical properties of cold-recycled mixture with asphalt emulsion under different cement contents. Construction and Building Materials, 297, 2021, Article ID: 123699, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123699
• 29. Deng Z., Mahmood A.H., Dong W., Sheng D., Lin X.: Piezoresistive performance of self-sensing bitumen emulsion-cement mortar with multi-walled carbon nanotubes. Cement and Concrete Composites, 153, 2024, Article ID: 105718, DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2024.105718
• 30. Chen T., Luan Y., Ma T., Zhu J., Huang X., Ma S.: Mechanical and microstructural characteristics of different interfaces in cold recycled mixture containing cement and asphalt emulsion. Journal of Cleaner Production, 258, 2020, Article ID: 120674, DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.120674
• 31. Kuźniewski J., Skotnicki Ł.: Properties of mineral-cement emulsion mixtures based on concrete aggregates from recycling. Case Studies in Construction Materials, 12, 2019, Article ID: e00309, DOI: 10.1016/j.cscm.2019.e00309
• 32. 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
• 33. Król J., Konieczna K., Liphardt A., Radziszewski P., Kowalski K., Pokorski P., Sarnowski M., Kędzierska A.: Recykling nawierzchni bardziej efektywny z innowacyjnym asfaltem. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, 3, 2022, 52-54, https://nbi.com.pl/content/uploads/assets/NBI-pdf/2022/3_102_2022/PDF/9-Recykling-nawierzchni.pdf (19.12.2024)
• 34. Skotnicki Ł., Kuźniewski J.: Cracking resistance of recycled mineral-cement-emulsion mixtures. Roads and Bridges – Drogi i Mosty, 22, 1, 2023, 19-39, DOI: 10.7409/rabdim.023.002
• 35. Czapik P., Szczur P.: Influence of cement by-pass dust on the properties of multi-component binders with granulated blast furnace slag. XII Konferencja „Dni betonu”, Wisła, 2023, http://www.dnibetonu.com/wp-content/pdfs/2023/Czapik_Szczur.pdf (19.12.2024)
• 36. Czapik P., Zapała-Sławeta J., Owsiak Z., Stępień P.: Hydration of Cement By-Pass Dust. Construction and Building Materials, 231, 2020, Article ID: 117139, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117139
• 37. Mazurek G., Buczyński P., Iwański M., Horodecka R.: Influence of a three-component hydraulic binder on the properties of recycled base course with foamed bitumen and bituminous emulsion: a field investigation. Roads and Bridges – Drogi i Mosty, 21, 4, 2022, 309-329, DOI: 10.7409/rabdim.022.018
• 38. PN-EN 12697-26+A1:2023-03 Bituminous mixtures – Test methods – Part 26: Stiffness
• 39. PN-EN 12697-24:2018-08 Bituminous mixtures – Test methods – Part 24: Resistance to fatigue
• 40. Poliaček I.: Vplyv teplotného režimu vozovky na jej správanie sa a návrh. Slovenská Vysoká Škola Technická v Bratislave, Cestné Vedeckovýskumne Laboratórium, Bratislava, 1975 (available from the authors)
• 41. Motamedi Z., Bansal T., Mattsson H., Åström J., Casselgren J.: A dynamic boundary condition finite difference model for predicting pavement profile temperatures: Development and validation. Transportation Engineering, 18, 2024, Article ID: 100287, DOI: 10.1016/j.treng.2024.100287
• 42. Huber G.A., Kennedy T.W., Anderson M.: The Superpave Mix Design Manual for New Construction and Overlays. Strategic Highway Research Program SHRP-A-407, Washington, DC, 1994, https://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/shrp/shrp-a-407.pdf (19.12.2024)
• 43. Bańkowski W., Gajewski M., Gajewska B.: Assessment of the Design Life of High Modulus Asphalt Concrete Pavements and Propositions of Typical Structures. In: Pereira P., Pais J. (eds), Proceedings of the 10th International Conference on Maintenance and Rehabilitation of Pavements “MAIREPAV 2024”. Lecture Notes in Civil Engineering, 522, 2024, 559-570, DOI: 10.1007/978-3-031-63588-5_53
• 44. Mackiewicz P., Kuźniewski J., Skotnicki Ł.Z., Szydło A.: Innowacyjna technologia wykorzystująca optymalizację środka wiążącego przeznaczona do technologii recyklingu głębokiego na zimno konstrukcji nawierzchni zapewniająca jej trwałość eksploatacyjną: wytyczne w zakresie technologii recyklingu głębokiego na zimno z emulsją asfaltową oraz dedykowanym spoiwem (MSEA). Politechnika Wrocławska, Raporty Wydziału Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej, SPR, 42, Wrocław 2021 (available from the authors)
• 45. Iwański M., Mazurek G., Buczyński P., Szydło A., Mackiewicz P., Skotnicki Ł., Kuźniewski J.: Innowacyjna technologia wykorzystująca optymalizację środka wiążącego przeznaczona do technologii recyklingu głębokiego na zimno konstrukcji nawierzchni zapewniająca jej trwałość eksploatacyjną: wytyczne w zakresie technologii recyklingu głębokiego na zimno z asfaltem spienionym oraz dedykowanym spoiwem (MSAS). Opracowanie w ramach projektu TECHMATSTRATEG1/349326/9/NCBR/2017 (available from the authors)
• 46. Iwański M., Mazurek G., Buczyński P.: Analysis of the deformation of road surface construction based on monitoring climatic factors. Structure and Environment, 16, 3, 2024, 141-147, Article ID: el 013, DOI: 10.30540/sae-2024-013