Stiffness modulus prediction against basic physical and mechanical characteristics of recycled base course with foamed bitumen and emulsified bitumen

• Autorzy: Mazurek Grzegorz , Buczyński Przemysław , Iwański Marek

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.146069

Warianty tytułu

PL

Prognozowanie modułu sztywności względem podstawowych cech fizycznych i mechanicznych podbudowy recyklowanej z asfaltem spienionym i emulsją asfaltową

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper’s objective was to present the results of predicting the stiffness modulus of a recycled mix containing a blended road binder with foamed bitumen and emulsified bitumen. The Sm (acc. to IT-CY) indirect tensile test was used at temperatures of -10°C, +5°C, +13°C and +25°C. Prediction of the stiffness modulus accounted for the effect of temperature, the type of road binders, the sampling location and the type of technology selected. All effects, except temperature, were included in the model by entangling their effects through recycled base course physical and mechanical characteristics, such as indirect tensile strength, compressive strength, creep rate, air void content and moisture resistance. As a result, it was possible to determine a regression model based on multiple regression with a coefficient of determination R2 = 0.78. Temperature and compressive strength were found to have the strongest effect on the variability of stiffness modulus. However, indirect tensile strength also significantly affected the Sm characteristic. In addition, FB-RCM (foamed bitumen) recycled mixtures proved to be more favourable than EB-RCM (emulsified bitumen) mixtures as they exhibited a lower deformation rate while retaining limited stiffness.

PL

Mieszanki recyklowane są powszechnie wykorzystywanym materiałem do budowy podbudowy zasadniczej i pomocniczej zarówno w przebudowach jak i nowych konstrukcji drogowych. Mogą one być wykonywane w technologii asfaltu spienionego jak i również emulsji asfaltowych. Należy pamiętać, że zastosowanie materiału odpadowego lub pochodzącego z recyklingu kwalifikuje tę technologię jako rozwiązanie proekologiczne. Aplikacja spoiwa drogowego zawierającego 100% cementu jest najczęściej wykorzystywanym sposobem podnoszenia stopnia kohezji mieszanek recyklowanych. Nie mniej jednak brak poprawnie wykonanego procesu optymalizacji ilości cementu może doprowadzić do nadmiernego przesztywnienia mieszanki recyklowanej i pojawieniem się spękań. Pomimo wielu korzyści, jakie wynikają ze stosowania technologii recyklingu wciąż napotykane się ograniczenia w jej stosowaniu i popularyzacji. Główną przyczyną jest brak kompleksowej wiedzy z zakresu struktury wewnętrznej mieszanek recyklowanych oraz panujących w niej efektów reologicznych, co objawia się częstymi awariami dróg o dużym natężeniu ruchu, które zostały wykonane na podbudowie z mieszanki recyklowanej [13, 43]. W związku z tym była to jedna z przyczyn ograniczenia stosowania tej technologii w Polsce dla ruchu o natężenia pojazdów powyżej ESAL100 kN >7,3 mln osi. W związku z tym autorzy podjęli się zadania związanego z możliwością prognozowania zmiany modułu sztywności mieszanki recyklowanej, rozrzedzając swoje działania o efekty związane z: technologią recyklingu, rodzajem spoiwa oraz zjawiskami jakie mogą wystąpić w czasie realizacji odcinka doświadczalnego. W artykule zostały przedstawione rezultaty prognozowania modułu sztywności mieszanki recyklowanej zawierającej mieszane spoiwo drogowe w technologii asfaltu spienionego oraz emulsji asfaltowej. Badanie modułu sztywności wykonano metodą pośredniego rozciągania IT-CY. Moduł sztywności oznaczono w temperaturach -10°C, +5°C, +13°C oraz +25°C. Prognozowanie modułu sztywności uwzględniało efekt temperatury, rodzaj spoiw drogowego, miejsce poboru próbek oraz rodzaj technologii. Wszystkie efekty, oprócz temperatury, zostały uwzględnione w modelu poprzez uwikłanie ich oddziaływania za pomocą cech fizycznych i mechanicznych recyklowanej podbudowy takich jak: wytrzymałość na pośrednie rozciąganie, wytrzymałość na ściskanie, szybkość pełzania, zawartość wolnej przestrzeni oraz odporność na oddziaływanie wody.

Słowa kluczowe

EN

deep recycling; foamed bitumen; multiple regression modelling; stiffness modulus; blended binder; trial section

PL

recykling głęboki; asfalt spieniony; model regresji wielorakiej; moduł sztywności; spoiwo mieszane; odcinek doświadczalny

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 3
• Strony: 95--112
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Mazurek Grzegorz

• Kielce University of Technology, Kielce, Poland

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

autor

Buczyński Przemysław

• Kielce University of Technology, Kielce, Poland

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

autor

Iwański Marek

• Kielce University of Technology, Kielce, Poland

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

Bibliografia

• [1] A. Jamshidi and G. White, “Evaluation of performance and challenges of use of waste materials in pavement construction: a critical review”, Applied Sciences, vol. 10, no. 1, art. no. 226, 2020, doi: 10.3390/app10010226.
• [2] A. Gonzalez, “An experimental study of the deformational and performance characteristics of foamed bitumen stabilised pavements”, PhD. thesis, University of Canterbury, Civil and Natural Resources Engineering, 2009. [Online]. Available at: http://hdl.handle.net/10092/3285.
• [3] Y. Niazi and M. Jalili, “Effect of Portland cement and lime additives on properties of cold in-place recycled mixtures with asphalt emulsion”, Construction and Building Materials, vol. 23, no. 3, pp. 1338-1343, 2009, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2008.07.020.
• [4] J.M. Ramanujam and J.D. Jones, “Characterization of foamed-bitumen stabilisation”, International Journal of Pavement Engineering, vol. 8, no. 2, pp. 111-122, 2007, doi: 10.1080/10298430601149676.
• [5] F.A. Halles and G.Z. Thenoux, “Degree of influence of active fillers on properties of recycled mixes with foamed asphalt”, Transportation Research Record, vol. 2095, no. 1, pp. 127-135, 2009, doi: 10.3141/2095-13.
• [6] P. Buczynski and M. Iwanski, “The influence of hydrated lime, Portland cement and cement dust on rheological properties of recycled cold mixes with foamed bitumen”, in Proccedings of 10th International Conference “Environmental Engineering”. Vilnius Gediminas Technical University, Lithuania, 2017, doi: 10.3846/enviro.2017.135.
• [7] G. Mazurek, M. Pszczoła, and C. Szydłowski, “Non-linear mastic characteristics based on the modified MSCR (multiple stress creep recovery) test”, Structure and Environment, vol. 11, no. 1, pp. 23-34, 2019, doi: 10.30540/sae-2019-002.
• [8] G. Mazurek, “Effect of filler type on non-linear viscoelastic characteristics of asphalt mastic”, Archives of Civil Engineering Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 2, 2021, doi: 10.24425/ACE.2021.137166.
• [9] G. Mazurek, M. Iwański, P. Buczyński, and R. Horodecka, “Influence of innovative three-element binder on permanent deformations in recycled mixtures with emulsion and foamed bitumen”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 21, no. 2, art. no. 55, 2021, doi: 10.1007/s43452-021-00192-9.
• [10] F. Xiao, S. Yao, J. Wang, X. Li, and S. Amirkhanian, “A literature review on cold recycling technology of asphalt pavement”, Construction and Building Materials, vol. 180, pp. 579-604, 2018, doi: 10.1016/ j.conbuildmat.2018.06.006.
• [11] G. Betti, A. Cocurullo, A. Marradi, G. Tebaldi, G. Airey, and K. Jenkins, “Effect of lime on short-termbearing capacity of bitumen emulsion recycled mixtures”, in Asphalt Pavements. CRC Press, 2014, pp. 1037-1046, doi: 10.1201/b17219-128.
• [12] H. Wen, M.P. Tharaniyil, and B. Ramme, “Investigation of performance of asphalt pavement with fly-ash stabilized cold in-place recycled base course”, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, vol. 1819, no. 1, pp. 27-31, 2003, doi: 10.3141/1819b-04.
• [13] J.P.C. Meneses, K. Vasconcelos, and L.L.B. Bernucci, “Stiffness assessment of cold recycled asphalt mixtures - Aspects related to filler type, stress state, viscoelasticity, and suction”, Construction and Building Materials, vol. 318, art. no. 126003, 2022, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.126003.
• [14] B. Dołżycki, “Polish experience with cold in-place recycling”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 236, art. no. 012089, 2017, doi: 10.1088/1757-899X/236/1/012089.
• [15] Y.R. Kim, Ed., Modeling of asphalt concrete. Reston, VA, New York: ASCE Press, McGraw-Hill, 2009.
• [16] A. Graziani, F. Canestrari, F. Cardone, and G. Ferrotti, “Time-temperature superposition principle for interlayer shear strength of bituminous pavements”, Road Materials and Pavement Design, vol. 18, no. 2, pp. 12-25, 2017, doi: 10.1080/14680629.2017.1304247.
• [17] P. Buczyński and M. Iwański, “Complex modulus change within the linear viscoelastic region of the mineral-cement mixture with foamed bitumen”, Construction and Building Materials, vol. 172, pp. 52-62, 2018, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.03.214.
• [18] B. Dołżycki and P. Jaskuła, “Review and evaluation of cold recycling with bitumen emulsion and cement for rehabilitation of old pavements”, Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition), vol. 6, no. 4, pp. 311-323, 2019, doi: 10.1016/j.jtte.2019.02.002.
• [19] Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych (Catalogue of typical flexible and semi-rigid pavements). Warszawa: GDDKiA, 2014 (in Polish).
• [20] TECHMATSTRATEG I, “The innovative technology used the binding agent optimization that provides the long service life of the recycled base course”, National Centre for Research and Development (NCBR), TECHMATSTRATEG1/349326/9/NCBR/2017, 2018.
• [21] G. Mazurek, P. Buczyński, M. Iwański, and M. Podsiadło, “Thermal analysis-based field validation of the deformation of a recycled base course made with innovative road binder”, Materials, vol. 14, no. 20, art. no. 5925, 2021, doi: 10.3390/ma14205925.
• [22] Ž. R. Lazić, Design of experiments in chemical engineering: a practical guide. Weinheim: Wiley-VCH, 2004.
• [23] Z. Owsiak, P. Czapik, and J. Zapała-Sławeta, “Properties of a three-component mineral road binder for deep-cold recycling technology”, Materials, vol. 13, no. 16, art. no. 3585, 2020, doi: 10.3390/ma13163585.
• [24] M. Iwański, G. Mazurek, P. Buczyński, and M.M. Iwański, “Effects of hydraulic binder composition on the rheological characteristics of recycled mixtures with foamed bitumen for full depth reclamation”, Construction and Building Materials, vol. 330, art. no. 127274, 2022, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127274.
• [25] D.C. Montgomery, Design and analysis of experiments, 8th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc, 2013.
• [26] Wirtgen Group, Podręcznik recyklingu na zimno. Wirtgen GmbH, 2006.
• [27] EN 12697-30 Bituminous mixturepp. Test methods. Specimen preparation by impact compactor. 2018.
• [28] M. Iwański, A. Chomicz-Kowalska, P. Buczyński, G. Mazurek, M. Cholewińska, M.M. Iwański, P. Ramiączek, and K. Maciejewski, “Procedury projektowania oraz wytyczne stosowania materiałów odpadowych i z recyklingu do technologii wytwarzania mieszanek metodą na zimno z asfaltem spienionym (MCAS)”, Wytyczne do Raportu RID-I/6, zadanie 5. NCBiR, GDDKiA. Politechnika Świetokrzyska, Kielce, 2018.
• [29] B. Dołżycki, Instrukcja projektowania i wbudowywania mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych (MCE). Warszawa: GDDKiA, 2014.
• [30] D. Sybilski, J. Matras, T. Mechowski, and J. Zawadzki, Warunki techniczne wykonywania warstw podbudowy z mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej (MCE). Informacje, Instrukcje, no. 61. IBDiM, 1999.
• [31] Wirtgen, Cold Recycling Technology. 2012.
• [32] EN 12697-8 Bituminous mixtures. Test methods. Determination of void characteristics of bituminous specimens. 2019.
• [33] EN 13286-41 Unbound and hydraulically bound mixtures Test method for the determination of the compressive strength of hydraulically bound mixtures. 2021.
• [34] EN 12697-23 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Determination of the indirect tensile strength of bituminous specimens. 2017.
• [35] EN 12697-26 Bituminous mixtures. Test methods. Stiffness. 2018.
• [36] EN 12697-25 Bituminous Mixtures - Test Methods - Part 25: Cyclic Compression Test. 2016.
• [37] T.M. Mitchell, Machine Learning. New York: McGraw-Hill, 1997.
• [38] A. Gonzales, “An experimental study of the deformational and performance characteristics of foamed bitumen stabilised pavements”, PhD. thesis, University of Canterbury, Civil and Natural Resources Engineering, New Zealand, 2009.
• [39] I.S. Bessa, L.R. Almeida, K.L. Vasconcelos, and L.L.B. Bernucci, “Design of cold recycled mixes with asphalt emulsion and portland cement”, Canadian Journal of Civil Engineering, vol. 43, no. 9, pp. 773-782, 2016, doi: 10.1139/cjce-2016-0111.
• [40] G.D. Airey, “Use of black diagrams to identify inconsistencies in rheological data”, Road Materials and Pavement Design, vol. 3, no. 4, pp. 403-424, 2002, doi: 10.1080/14680629.2002.9689933.
• [41] C. Godenzoni, A. Graziani, E. Bocci, and M. Bocci, “The evolution of the mechanical behaviour of cold recycled mixtures stabilised with cement and bitumen: field and laboratory study”, Road Materials and Pavement Design, vol. 19, no. 4, pp. 856-877, 2018, doi: 10.1080/14680629.2017.1279073.
• [42] W.N. Findley, J.S. Lai, and K. Onaran, Creep and relaxation of nonlinear viscoelastic materials: with an introduction to linear viscoelasticity. New York: Dover, 1989.
• [43] F. Xiao, S. Yao, J. Wang, X. Li, and S. Amirkhanian, “A literature review on cold recycling technology of asphalt pavement”, Construction and Building Materials, vol. 180, pp. 579-604, 2018, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.06.006.