Multiscale investigation on cold foamed bitumen mixes reclaimed asphalt pavement

This doctoral study employed a Multiscale approach analyzing the foamed bitumen and foamed bitumen mixes from different performance scale (micro-scale, macro-scale and full-scale) by means of advanced laboratory research technics and assessing bitumen fundamental properties; physical, rheological, chemical, microscopic. The mix design process, as well as, the study of the mechanical properties of foamed bitumen mixes were also investigated. The effect of different bitumen sourced on the foaming characteristic was addressed in addition to the impact of a commercial foaming additive on fundamental bitumen properties. The effect of bitumen sourced, foaming additive and foaming characteristic was then investigated on the mechanical behavior of foamed bitumen mixes with three foamed bitumen content. A number of different foamed bitumen mixes were manufactured involving two types of synthetic fiber reinforcements, Portland cement as active filler. A novel curing process has been proposed. The advantages of the novel method involves the inclusion of a vacuum system device during the mixes’ curing process in laboratory, which stops the aging process on the samples by the extraction of the oxygen and accelerate the water extraction on the cylindrical specimens. The full scale investigation involved the analysis of the performance of several trial sections with foamed bitumen mixes in the State of Virginia. Performance data analyzed involved functional and structural parameters with service time between 4 and 7 years. The approach of the research together with the experimental program allowed holistic understanding on the performance and factor affecting foamed bitumen and foamed bitumen mixes. The influence of the foaming process on the bitumen fundamental properties, as well as the effect of bitumen source, bitumen grade on the foaming properties was identified. Fundamental properties as viscosity and chemical analysis (Differential scanning calorimetry) revealed better understanding and correspondence with foaming properties. The addition of FA had very little effect on the mechanical performance with respect to mixes with the same bitumen but without FA. The FR inclusion resulted in increased dynamic modulus at some temperatures. Portland cement used as active filler provided significant increments in both moduli and strength, although the greater benefits are observed in moisture resistance. Full scale investigation on trial sections in real-scale shown the foamed bitumen mixes have performed very well in highways with high to medium traffic level. Structural evaluation over the first two years showed an increasing trend on the stiffness of the section influenced basically by the curing process. Foamed bitumen stabilization shown better performance in terms of surface distress that sections treated with Portland cement.

Questo studio di dottorato ha utilizzato un approccio multiscala analizzando il bitume schiumato e il conglomerato con bitume schiumato da diverse scale di performance (micro-scala, macro-scala e vera gardezza) con l’ausilio di tecniche di ricerca di laboratorio avanzate e la indagine delle proprietà fondamentali del bitume; fisiche, reologiche, chimiche, microscopiche. Il mix-design del conglomerato, nonché lo studio delle proprietà meccaniche con bitume schiumato sono stati studiati. L'effetto dei differenti bitumi provenienti da diverse raffinerie é stato studiato sulle proprietá schiumanti. Inoltre, l'impatto di un additivo commerciale per migliorare le propietá schiumanti sulle proprietà fondamentali del bitume e del conglomerato è stato analizzato. L'influenza del origine del bitume, dell’additvo schiumante e delle caratteristiche schiumanti é stato in consequenza indagato sulle prestazioniá meccaniche con tre contenuti di bitume. Differenti miscele con bitume schiumato sono stati fabbricati coinvolgendo due tipi di fibre-riforzati, e cemento Portland come filler attivo. Inoltre, é stato proposto un innovativo metodo di “curing” per le miscele con bitume schiumato. I vantaggi del nuovo metodo comportano l'inserimento di un dispositivo con sistema di sottovuoto durante il processo di “curing” delle miscele in laboratorio, che arresta il processo di invecchiamento sui campioni per la estrazione dell'ossigeno nel forno e accelera l'estrazione dell'acqua sui provini cilindrici. L'indagine in vera grandezza, ha comportato l'analisi delle prestazioni di diverse sezioni con la technica del cold recycling con bitume schiumato nello Stato della Virginia. Sono stati analizzati il degrado superficiale, le caratteristiche funzionali e strutturali in funzione del tempo di servizio (4 a 7 anni). L'approccio della ricerca insieme al programma sperimentale ha permesso la comprensione olistica delle prestazioni meccaniche e dei fattori che influiscono sulle propieta´ del bitume schiumato e del conglomerato bituminoso con bitume schiumato. L'influenza del processo di schiumatura sulle propieta fondamentali del bitume così come l'effetto del origine del bitume e tipo di bitume sono stati individuati. Proprietà fondamentali come la viscosità e l'analisi chimica (calorimetria differenziale a scansione) ha rivelato una migliore comprensione e corrispondenza con le proprietà schiumanti. L'aggiunta dell’ additivo schiumante ha avuto scarso effetto sulle prestazioni meccaniche rispetto alle miscele con lo stesso bitume ma senza l’additvo. L'inclusione Fibre Riforzate ha comportato un aumento del modulo dinamico in alcuni temperature. Il cemento portland usato come filler attivo comporta incrementi significativi sia sui moduli come sulla resistenza, anche se i maggiori benefici sono stati osservati in resistenza all'umidità. Indagine in vera grandezza sulle sezioni di prova in scala reale dimostrano un ottimo performance in strade in strade ad alto livello di traffico medio. La valutazione strutturale nei primi due anni ha mostrato una tendenza crescente sulla rigidezza della sezione sostanzialmente influenzato dal processo di “curing”. La stabilizzazione con bitume schiumato mostrano migliori prestazioni in termini di disesti superficie rispetto alle sezione stabilizzate con cemento portland.