Bitumen stabilised materials in base courses : laboratory and field studies of permanent deformation and reflective cracking

Abstract

O uso de camadas granulares estabilizadas com ligantes asfálticos tem aumentado em todo o mundo nas últimas décadas. As razões para escolher estabilizar bases granulares estão relacionadas ao desempenho no campo, que melhora os resultados do custo do ciclo de vida (LCC) e da análise do custo do ciclo de vida (LCCA). Esta tese, composta por três artigos, concentra-se no estudo laboratorial e de campo de resistência, rigidez e deformação permanente de bases granulares tratadas com emulsão asfáltica e, no caso do trecho experimental sobre pavimento rígido, também avaliar a evolução de trincamento. O primeiro artigo apresenta uma revisão da literatura sobre a estabilização de camadas granulares com diferentes tipos de ligantes asfálticos. O segundo artigo avalia, por meio de testes laboratoriais e de campo, o comportamento mecânico dos materiais estabilizados com emulsão, que foram aplicados sobre pavimentos em três trechos com revestimentos asfálticos antigos. Foram realizados ensaios de resistência à tração indireta, triaxiais monotônicos e de carga repetida. Além disso, os módulos de elasticidade in situ foram obtidos por retroanálise de bacias de deflexão. O modelo do TG2 parece subestimar a vida dos pavimentos com camadas de revestimento espessas (> 40 mm). Um modelo relacionando a compactação ao Número N foi obtido, permitindo a previsão da afundamento de trilha de roda. Considerando o desempenho das seções de teste, as misturas mostraram ser eficientes para melhorar a capacidade estrutural, reduzindo também a influência da variação do nível de água no desempenho do pavimento. O terceiro artigo apresenta um estudo de caso de uma base aberta estabilizada com emulsão aplicada como camada antireflexão de trincas em reforço asfáltico sobre antigas placas de concreto. programa experimental incluiu a análise de dados do monitoramento de pavimentos, como deflexões e condição de superfície, a fim de estimar o módulo in situ de cada camada e acompanhar a evolução do afundamento de trilha de roda e do trincamento durante o período de análise. A análise de deflexão demonstrou que as camadas estabilizadas mantiveram sua capacidade estrutural quando usadas como reforço sobre um pavimento rígido.Os resultados novamente sugerem que o modelo sul-africano tende a subestimar a vida útil de pavimentos com misturas abertas com emulsão (CBEM), devido, possivelmente, à dificuldade de obtenção em laboratório de um parâmetro de coesão que represente com acurácia a condição de campo. As principais contribuições dessa tese foram: a) A análise do estado superficial indicou que o pavimento com camada estabilizada com betume aberto apresentou porcentagem de trincamento baixa mesmo após 3 anos de construção, indicando sua eficácia na prevenção de trincamento por reflexão, mesmo quando aplicado sobre um pavimento de concreto fissurado; b) O modelo incluído apresentado no TG2 parece subestimar a vida útil dos pavimentos com camada aberta estabilizada com emulsão, possivelmente devido a dificulade na determinação do parâmetro de coesão durante os testes laboratoriais; c) A adição de cimento e RAP aumentou a coesão da mistura (CETM) em comparação com aquela estabilizada apenas com emulsão (CBEM); d) As camadas estabilizadas com emulsão mantiveram a sua capacidade estrutural, uma vez que não foram observadas deformações elásticas excessivas nem afundamentos no trilho de roda.

The use of the stabilized granular layers with asphalt binders has been increasing all around the world in the last decades. The reasons for choosing to stabilize granular bases are related to their performance in the field that improves the results of the life-cycle cost (LCC) and lifecycle cost analysis (LCCA).This thesis, which consists of three papers, focuses the study of strength, stiffness and permanent deformation behavior, and, in the case of the experimental section over rigid pavement, it also aims to assess the evolution of cracking. The first paper presents a literature review on the stabilization of granular layers with different types of asphalt binders. The second paper evaluate, through laboratory and field tests, the mechanical behavior of Bitumen Stabilized Materials applied as overlay in three section test. Indirect tensile strength, monotonic triaxial, and repeated load triaxial tests were carried out to obtain the necessary mechanical parameters. Besides, in situ moduli were obtained using backanalysis of deflection basins. Using field and laboratory results and the South African TG2 performance model, it was possible to estimate the life of the studied pavements regarding permanent deformation. The TG2 model seems to underestimate the life of pavements with thick (> 40 mm) asphalt layers. A model relating rutting to the number of ESALs was obtained, allowing the prediction of rutting. Considering the test sections’ performances, the mixes proved to be efficient to improve structural capacity, also reducing the influence of the water level variation on pavement performance. The third paper presented a study of case of an Open Graded Base Stabilized with Emulsion applied as an anticracking Relief Layer. The experimental program included the analysis of available data from pavement monitoring, such as deflections and surface condition, in order to estimate the in-situ modulus of each layer and follow-up the evolution of rutting and cracking over the analysis period. The deflection analysis demonstrated that the bitumen-stabilized layers retained their structural capacity when used as an overlay on rigid pavement, as there were no signs of excessive elastic deformation or rutting. The findings suggest that the South African model tends to underestimate the lifespan of pavements with open-graded cold bituminous emulsion mixes (CBEM) due to the difficulty of obtaining in the laboratory a cohesion parameter in the laboratory that accurately represents the field condition.. Following are the most meaningful findings of this thesis: a)The analysis of the surface condition indicated that the pavement with the open-graded bitumen stabilized layer exhibited minimal cracking even after 3 years of construction, indicating its effectiveness in preventing reflection cracking, even when applied over a cracked concrete pavement; b) The model included in TG2 South African document seems to underestimate the life of pavements with the studied open-graded bitumen stabilized layer, possibly due to challenges in determining the cohesion parameter during laboratory testing; c) The addition of cement and RAP increased the cohesion of the mix (cement emulsion treated mix, CETM) compared to that stabilized with emulsion only (cold bituminous emulsion mix, CBEM); d) The bitumen stabilized layers kept their structural capacity since neither excessive elastic deformation nor rutting was observed.