Mechanistic Modeling of Bituminous Mortars to Predict Performance of Asphalt Mixtures containing RAP

Riccardi, Chiara

In last decades the use of Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) materials in asphalt mixtures has seen a significant expansion for economical and environmental reasons. Nevertheless, there are still two important issues which have not been effectively solved: the first regards the characterization of the aged binder contained in RAP; the second concerns the ability to predict the performance of asphalt mixture composed with high RAP content. Regarding the first problem, the current methods are based on extraction and recovery of the RAP binder using solvents; however, these methods are not fully accurate since they can alter the rheological properties of the binder. For this reason, in the present work, a new procedure to back-calculate the rheological properties of the aged binder contained in RAP materials and of the blends composed with fresh and RAP binder, was developed. This is based on DSR tests performed on mortars, composed by mixing the fine fraction of the RAP aggregate with virgin binder. Using the Nielsen model, specifically adapted to asphalt mortars’ case and the Voigt model, the rheological properties of RAP binder can be back-calculated from mortars tests. The present procedure has two advantages: the aged binder contained in RAP is tested as it is after the milling process, avoiding any further treatments, while the testing campaign is centered on the mortar phase, which is one of the most important phases governing the properties of the mixtures and, therefore, the performance of asphalt pavements. Regarding the second problem, a multi-scale approach based on rheological model (2 Spring, 2 Parabolic Elements, 1 Dashpot, 2S2P1D model) and on empirical models (Hirsh e Witczak models) was developed to predict the rheological properties of asphalt mixture containing RAP materials, starting from tests on asphalt mortars and taking into account the grading of the aggregates and the volumetric composition of the mixtures. This methodology allows to make reliable previsions for both the problems addressed, as demonstrated by the results of the validation tests carried out in this doctoral thesis. In addition, the present research provides innovative solutions to address some of the issues which are currently of particular importance for the purposes of extending the use of RAP material in the production of asphalt mixture.

In den vergangenen Jahrzehnten hat der Einsatz von Ausbauasphalt beziehungsweise Reclaimed Aspalt Pavement (RAP) in Asphaltmischgut aus ökonomischen und ökologischen Gründen eine deutliche Ausweitung erfahren. Jedoch gibt es bezüglich zwei wichtiger Aspekte, noch keine effektiven Lösungsansätze: Der erste Aspekt ist die Charakterisierung des im RAP enthaltenen gealterten Bitumens; Der zweite Aspekt betrifft die Prognose der Gebrauchseigenschaften von von Asphalt mit einem hohen Zugabeanteil von RAP. Hinsichtlich des ersten Problems beruhen die derzeitigen Verfahren auf der Extraktion und Wiedergewinnung des RAP-Bindemittels unter Verwendung von Lösemitteln; Diese Verfahren sind jedoch nicht hinreichend genau, da sie die rheologischen Eigenschaften des Bindemittels verändern können. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit ein neues Verfahren zur Rückrechnung der rheologischen Eigenschaften des in RAP-Materialien enthaltenen gealterten Bindemittels und der Verschneidung des frischen und des RAP-Bindemittels entwickelt. Dieses Verfahren basiert auf DSR-Analytik, die an Asphaltmörteln durchgeführt wurde. Die Asphaltmörtel wurden aus deraus der feinen Anteile des RAP und frischem Bindemittel zusammengesetzt. Auf Basis des Voigt-Modells in Kombination mit dem Nielsen-Modell, das speziell bezüglich der Asphaltmörteleigenschaften angepasst wurde, können die rheologischen Eigenschaften des RAP-Bindemittels aus den Ergebnissen der DSR-Analytik zurückberechnet werden. Das vorliegende Verfahren bietet zwei Vorteile: Das im RAP enthaltene gealterte Bindemittel kann direkt nach dem Fräsvorgang getestet werden ohne weitere Konditionierung. Weiterhin konzentrieren sich die Untersuchungen an der Asphaltmörtelphase, welche maßgebenden Einfluss auf die Asphaltmischguteigenschaften und den resultierenden Gebrauchseigenschaften hat. In Bezug auf das zweite Problem wurde ein Mehrskalen Modell angewandt, das auf einem rheologischen Modell (2 Spring (Federn), 2 Parabolische Elemente, 1 Dämpfer, 2S2P1D Modell) und auf empirischen Modellen (Hirsh e Witczak Modelle) basiert, um die rheologischen Eigenschaften des Asphalts zu prognostizieren. Die Eingangsparameter des Mehrskalen Modells werden mittels DSR-Analytik am Asphaltmörtel unter Berücksichtigung der Korngrößenverteilung und der volumetrischen Zusammensetzung bestimmt. Die Validierungsergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die entwickelte Methodik eine zuverlässige Prognose der angesprochenen Aspekte ermöglicht. Darüber hinaus bieten die referierten Ergebnisse innovative Lösungsansätze , um die Verwendung von RAP in der Asphaltmischgutproduktion zu maximieren.

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Riccardi, Chiara: Mechanistic Modeling of Bituminous Mortars to Predict Performance of Asphalt Mixtures containing RAP. 2018.

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