Factors affecting strength, stiffness and fatigue behaviour of cold recycled cement-treated mixtures

Abstract

Full-depth reclamation with Portland cement (FDR-PC) is a technique that rehabilitates and enhances the performance of a distressed pavement by introducing a cold recycled cementtreated material (CRCTM) layer. It has been used in Brazil for many years, especially due to technical, environmental and economic advantages. However, the lack of standards has been inhibiting a larger diffusion of FDR-PC and resulting in the adoption of different design criteria, sometimes leading to low efficiency. This thesis, which consists of four papers, focuses on factors affecting strength, stiffness and fatigue behaviour of CRCTM. The first paper provides a comprehensive literature review on FDR-PC. The second paper evaluates the effects of reclaimed asphalt pavement (RAP) residual binder on the mechanical behaviour of CRCTM. The study comprised the laboratory production of RAP samples with different binder types, contents and ageing conditions, as well as the production and testing of CRCTM (laboratoryproduced RAP, graded crushed stone and cement). Results showed that the indirect tensile strength of CRCTM is mainly affected by the RAP binder type, while their resilient modulus is significantly affected by RAP binder type, content and ageing. The third paper evaluates the flexural static and cyclic behaviour of cement-treated mixtures of RAP and lateritic soil (LS). Results showed that higher cement contents lead to stronger and stiffer mixtures. Besides, flexural strength, strain at break and resilient modulus of such mixtures increase with RAP percentage. The study also resulted in fatigue relationships for such mixtures. Mechanistic analyses showed that the fatigue life of base layers made of such mixtures increases with the RAP percentage and with the thickness of the layers (surface and base); the effect of cement content depends on the thickness of the layers. Finally, the fourth paper focuses at (a) analysing the effects of compaction method, test setup and displacement rate on the flexural behaviour of lightly cement stabilised materials (LCSM), (b) characterising the fatigue behaviour of South African LCSM, and (c) comparing them with Brazilian materials. Results showed similarities when using vibratory and compression compactions. Moreover, the South African test setup results in lower strength and stiffness, while the displacement rate does not have a significant effect. Besides, the strain at break is not affected by testing characteristics. The study also resulted in laboratory fatigue relationships for South African LCSM, which lead to fatigue lives shorter than the South African transfer functions. Furthermore, strain-based relationships provide a better fatigue life prediction than stress-based relationships. The study also identified similarities between some South African LCSM and Brazilian CRCTM. Following are the most meaningful findings of this thesis: a) RAP asphalt binder affects the mechanical behaviour of CRCTM and hence the mix and structural design; b) it is possible to recycle pavements with LS base layers overlaid by thick asphalt layers without compromising mechanical and fatigue behaviour of the recycled layer; c) laboratory fatigue relationships of South African LCSM and cement-treated mixtures of RAP and LS reported for the first time; and d) strain at break is preferred for pavement design since it is not affected by testing characteristics.

A reciclagem profunda com cimento Portland é uma técnica usada para recuperação de pavimentos que vem sendo utilizada no Brasil há vários anos, por vantagens técnicas, econômicas e ambientais. Contudo, uma maior utilização é limitada pela escassez de normas, resultando na adoção de diferentes critérios, que, por vezes, levam a uma baixa eficiência. Essa pesquisa teve o objetivo de estudar fatores que afetam o comportamento mecânico e de fadiga de misturas recicladas com cimento. A pesquisa foi dividida em quatro partes, apresentadas no formato de artigos. O primeiro artigo apresenta uma revisão bibliográfica sobre a técnica. No segundo artigo, são avaliados os efeitos do ligante asfáltico do fresado no comportamento mecânico de misturas recicladas com cimento. Para tal, amostras de fresado com diferentes tipos, teores e condições de envelhecimento de ligante asfáltico foram produzidas. Então, misturas recicladas (fresado de laboratório, brita graduada e cimento) foram preparadas e ensaiadas. Os resultados mostraram que a resistência à tração de tais misturas é afetada pelo tipo do ligante do fresado, já seu módulo de resiliência é afetado pelo tipo, teor e envelhecimento do ligante do fresado. O terceiro artigo apresenta o comportamento na flexão estático e cíclico de misturas de fresado, solo laterítico e cimento. Verificou-se que maiores teores de cimento levam a misturas mais resistentes e rígidas. Além disso, a resistência à tração na flexão, a deformação na ruptura e o módulo de resiliência das misturas aumenta com a porcentagem de fresado. Modelos de fadiga foram obtidos e usados em análises mecanísticas, mostrando que a vida de fadiga de bases de tais misturas aumenta com a porcentagem de fresado e com as espessuras do revestimento e da base; o efeito do cimento depende da espessura das camadas. O terceiro artigo foca em (a) analisar o efeito do método de compactação, da configuração de ensaio e da taxa de carregamento no comportamento na flexão de materiais cimentados, (b) caracterizar o comportamento de fadiga de materiais cimentados sul-africanos e (c) comparar materiais sul-africanos e brasileiros. Verificaram-se resultados semelhantes usando-se compactação vibratória ou por compressão. A configuração de ensaio sul-africana resulta em menor resistência e rigidez, já a taxa de carregamento não tem efeito significativo. Além disso, a deformação na ruptura não é afetada pelas características do ensaio. Foram obtidos modelos de fadiga de laboratório para materiais sul-africanos; as vidas de fadiga obtidas são inferiores às dos modelos de campo sul-africanos. Ainda, os modelos baseados na deformação levam a uma melhor previsão da vida de fadiga do que os baseados na tensão. Por fim, foram observadas semelhanças entre materiais sul-africanos e brasileiros. As principais contribuições dessa tese foram: a) o ligante asfáltico do fresado influencia o comportamento da mistura reciclada com cimento e, assim, sua dosagem e o dimensionamento do pavimento; b) pavimentos com base de solo laterítico e revestimentos espessos podem ser reciclados com cimento sem prejuízo no comportamento mecânico ou de fadiga; c) foram obtidos modelos de fadiga de laboratório até então não existentes; e d) a deformação na ruptura parece ser a melhor propriedade para dimensionamento, já que as características do ensaio não a afetam.