Assessment of the adhesive capacity of asphalt binders in the aggregate-binder bonds by means of new methodology

The main goal of this study is to present a new methodology to characterize the adhesive capacity (cohesion and adhesion capacity) of asphalt binders by means of new mechanical parameters. This methodology is based on the Fenix test, a test recently developed in Spain. This method assesses the cracking resistance of the asphalt mixtures, and it has been adapted to characterize the bonding power of asphalt binders. The main parameters achieved with this procedure are related to the energy dissipated during the breaking between the asphalt binder and the aggregate, when these materials are subjected to tensile stress; essential parameters related to the adhesive capacity of asphalt binders. The results of an experimental stage are presented in this research, in which the proposed methodology has been applied to analyse the behaviour of the binder in the aggregate-binder matrix according to temperature variation and the effect of water and ageing; taking into account aggregates of the same origin and with a different shape pattern. The results show that the parameters achieved from this new methodology allows characterizing the adhesive capacity of asphalt binders in the different conditions assessed.Postprint (published version

Effect of aggregate type on the fatigue durability of asphalt mixtures

The effect of aggregate type on the fatigue behaviour of asphalt mixtures is an important variable for ensuring greater durability of pavements over time. This study presents the main results of an assessment of the effect of the physical properties of different aggregates on the fatigue behaviour of asphalt mixtures. Two fatigue tests were used for this study, one standardized and another developed recently which evaluates dissipated energy during the cracking of asphalt mixtures (EBADE® test). Three types of aggregates were used and adjusted to a semi-dense aggregate gradation: two of fluvial type (AF1 and AF2) and one from a quarry (AC). Two different shredding processes were used to obtain the aggregates. The results obtained show that there is a strong relationship between the shape and texture of the fine aggregates and the fatigue behaviour of the mixtures. It was also showed that the greater the thickness of the mixture in the pavement structure, the more influence these properties have. Likewise, the shape and texture of the fine aggregate influence the ability of asphalt mixtures to dissipate energy during fatigue damage.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

DUSST: development of a new stress sweep fatigue test for asphalt mixtures

Fatigue cracking is one of the main damage mechanisms that take place in asphalt pavements. However, its evaluation during the design asphalt mixtures is not usually considered due to the complexity of the tests required, their high costs and the long time required to perform them. As a consequence, several research teams are working on developing new test procedures to reduce the time related to fatigue characterization of asphalt mixtures. In this context, this paper presents the development of a new test procedure consisting of a cyclic uniaxial tension-compression test in which the stress applied increases every 5000 cycles. In this manner, it is possible to evaluate a mixture’s response under cyclic loading at different stress levels in one test. Also, failure of the mixture takes place in a shorter time period than that required by classical time sweep fatigue tests. This paper presents results obtained in the application of this new methodology to a mixture frequently used in Chilean pavement structures (type IV-A-12 by Chilean standards) with three different asphalt binders: a conventional binder (CA-24), a high modulus binder (CA-HM) and a polymer-modified binder (CA-PM). We evaluated three different types of aggregates obtained through two different shredding processes. Results achieved in the development of our Direct Uniaxial Stress Sweep Test (DUSST) show that it is an experimental method with great potential. This test can characterize fatigue behaviors of asphalt mixtures in a shorter time by using important parameters such as initial strain, failure strain, complex modulus and dissipated energy. In addition, we obtained a good sensitivity of the DUSST main parameters to variables evaluated.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Experimental study of recycled asphalt mixtures with high percentages of reclaimed asphalt pavement (RAP)

This paper presents an experimental study to characterize the mechanical behaviour of bituminous mixtures containing high rates of RAP. Two semi-dense mixtures of 12 and 20 mm maximum aggregate size and containing 40 and 60% RAP, respectively (S-12 and S-20, in accordance with Spanish specifications), which were used for rehabilitation of a Spanish highway section, were evaluated. First, the effect of RAP variability on the recycled mixtures was analyzed. Their mechanical properties were then studied by determining the stiffness modulus and indirect tensile strength and applying a new direct tensile test, i.e. Fénix test, and the three-point bending beam test. Results show that high rates of recycled material can generally be incorporated into bituminous mixes by proper characterization and handling of RAP stockpiles.Peer ReviewedPostprint (published version

Ensayo Fénix: una nueva metodología para medir la resistencia a la fisuración en mezclas asfálticas

El presente trabajo de investigación tiene por objetivo principal presentar un nuevo ensayo a tracción desarrollado por el Laboratorio de Caminos de la Universidad Politécnica de Cataluña para evaluar los mecanismos de fisuración en las mezclas asfálticas, representando este fenómeno de deterioro mediante un ensayo sencillo, económico y fácil de ejecutar. Se presenta el ensayo Fénix como un procedimiento que permite determinar la resistencia a fisuración de las mezclas asfálticas mediante el cálculo de la energía disipada en el proceso de fisuración. Para ello, se muestra en este artículo la metodología del ensayo y un análisis de los resultados experimentales obtenidos de su aplicación a distintos tipos de mezclas. Las variables estudiadas fueron: velocidad de aplicación de carga, envejecimiento, tipo de ligante, contenido de ligante, temperatura de ensayo y temperatura de compactación de la mezcla. A su vez, se presenta un análisis estadístico de los resultados con la finalidad de establecer la repetibilidad y sensibilidad del ensayo frente a variables de estudio. Como resultado de esta investigación, los autores señalan que el ensayo Fénix es un procedimiento práctico y efectivo para determinar las propiedades mecánicas vinculadas con el deterioro de fisuración en las mezclas asfálticas. The aim of this paper is to present a new tensile test developed by The Road Research Laboratory of the Technical University of Catalonia, called Fénix test. The test is presented as a procedure to evaluate asphalt mixture crack behaviour. It is a simple procedure and has a low cost set up. Fénix test is a procedure to determine crack resistance through calculation of dissipated energy in cracking process. Test procedure and data analysis are shown for different types of mixtures. The influence of load application velocity, aging, binder type, binder content, test temperature and compaction temperature was studied. On the other hand, a statistical analysis is presented to prove the repeatability and sensitivity of the test. As a result, authors found out that Fénix test is an effective procedure to determine mechanical properties regarding cracking resistance of asphalts mixtures.Peer ReviewedPostprint (published version

Estudio de variabilidad en mezclas asfálticas en caliente fabricadas con altas tasas de material asfáltico reciclable (RAP)

En el presente artículo se presentan los resultados del estudio destinado a caracterizar y determinar la variabilidad de las propiedades del material asfáltico reciclable (RAP) y de las mezclas asfálticas fabricadas en caliente con altas tasas de RAP en su composición. Se seleccionaron tres proyectos, construidos en diferentes provincias españolas entre los años 2004 y 2007, los cuales utilizaron mezclas recicladas en tasas entre el 40 y el 60% de RAP. En el RAP se evaluó la variabilidad existente en los acopios en torno al contenido de ligante y granulometría, mientras que en las mezclas recicladas se analizaron las mismas variables junto con las propiedades volumétricas y mecánicas obtenidas de los ensayos Marshall realizados al control de las mezclas. En general, los resultados obtenidos indican una mayor variabilidad granulométrica y de contenido de asfalto en las mezclas con altos contenidos de RAP respecto a las mezclas convencionales, pero a su vez, los resultados señalan que las técnicas de homogenización realizadas al RAP y el fraccionamiento de éste, previo a su utilización, permiten disminuir considerablemente la variabilidad granulométrica y de contenido de asfalto de las mezclas recicladas, y a la vez, registrar variabilidades de sus propiedades volumétricas y mecánicas similares a las mezclas convencionales. Results of a study oriented to characterize and to determine the variability of the properties of the reclaimed asphalt pavement (RAP) and hot recycled asphalt mixtures with high rates of RAP in their composition are presented. Three projects carried out in different Spanish provinces between the years 2004 and 2007 were selected, which ones used recycled mixtures with RAP rates between 40 and 60 %. On each RAP, variability in the storings around the asphalt content and the particle size distribution was evaluated, whereas in the recycled mixtures the same variables were analyzed together with the volumetric and mechanical properties obtained from Marshall’s tests applied to control the mixtures. In general, the results obtained indicate a high variability in the particle size distribution and asphalt content in the mixtures with high contents of RAP with respect to the conventional mixtures, and also the results obtained indicate that the homogenizing techniques used for the RAP and the division of RAP, previous to its use, allow to reduce considerably the variability in the particle size distribution and in the asphalt content of the recycled mixtures at high rates, and simultaneously, to register variability of its volumetric and mechanical properties similar to the conventional mixtures.Peer ReviewedPostprint (published version

False failure in flexural fatigue tests

Flexural fatigue tests are typically run under displacement or in a straincontrolled mode. In these tests, either the oscillatory displacement amplitude or strain amplitude applied to the bottom of the specimen is kept constant. The evolution of loading required to cause fatigue is then measured. Load amplitude decreases with the number of cycles, and the specimen is considered to have failed when the load is half its initial value. This failure criterion may be erroneous when non-fragile fracture mixtures prepared with high bitumen contents or modified binders are tested. In these cases, mixtures exhibit a visco-plastic behaviour and increasingly less stress is necessary to cause strain without cracking. Mixtures are hardly deteriorated when the fatigue failure is determined, and may be subjected to a larger number of load repetitions. It is then recommended to control the evolution of loading more effectively and regard as valid only tests where load decreases sharply to very low levels, making sure that the three stages in the fatigue process have occurred.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

El Proyecto FENIX en la UPC: mezclas asfálticas recicladas fabricadas con altas tasas de material bituminoso reciclable (RAP)

En el marco del Proyecto FENIX, financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial, y más concretamente dentro de la Tarea de Reciclado en Caliente, el Laboratorio de Caminos de la Universidad Politécnica de Cataluña, junto a las empresas Sorigué, Pavasal y Sacyr, han realizado un estudio destinado determinar la variabilidad de las propiedades del material bituminoso reciclable (RAP) y de las mezclas bituminosas fabricadas en caliente con altas tasas de RAP en su composición. Para el estudio de homogeneidad se seleccionaron tres proyectos, construidos en diferentes provincias españolas entre los años 2004 y 2007, los cuales utilizaron mezclas recicladas con tasas entre el 40 y el 60% de RAP. En el RAP se evaluó la variabilidad existente en los acopios en torno al contenido de ligante y granulometría, mientras que en las mezclas recicladas se analizaron las mismas variables junto con las propiedades volumétricas y mecánicas obtenidas de los ensayos Marshall realizados durante el control de ejecución de las mezclas. Finalmente, se presenta una caracterización mecánica de las mezclas recicladas con altas tasas utilizadas en un tramo la carretera A-140 de España, a través de los ensayos de módulo de rigidez y tracción indirecta, realizados sobre probetas y testigos, comparando los resultados obtenidos con el comportamiento de una mezcla semidensa convencional.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Estado de la resistencia a la fisuración de las mezclas bituminosas: ensayos Fénix y EBADE

Este artículo propone el empleo de dos ensayos desarrollados por el Laboratorio de Caminos de la Universidad Politécnica de Cataluña, uno estático de tracción (ensayo Fénix) y otro cíclico de tracción-compresión (ensayo EBADE), para evaluar la resistencia a la fisuración de las mezclas bituminosas, su variación con la temperatura y su comportamiento a fatiga. El ensayo Fénix se ha mostrado como un método válido para evaluar la resistencia a la fisuración a diferentes temperaturas. Así mismo, permite estimar el comportamiento a fatiga de las mezclas bituminosas. El procedimiento EBADE de barrido de deformaciones se ha mostrado suficientemente sensible para evaluar el comportamiento a fatiga de mezclas rígidas y mezclas más dúctiles, y ha sido capaz de evaluar la influencia de las tensiones térmicas en la vida a fatiga de la mezcla.Postprint (published version

Desarrollo de un nuevo ensayo experimental para la evaluación de la resistencia a tracción directa y la energía disipada en el proceso de fractura de las mezclas bituminosas

En este trabajo se presenta el desarrollo de un nuevo ensayo de fractura para la caracterización de las mezclas bituminosas frente a la fisuración. Para ello se muestra, en primer lugar, una breve revisión de literatura sobre los factores y mecanismos que provocan la fisuración de las mezclas bituminosas y los ensayos existentes en la actualidad que permiten medir propiedades vinculadas con este proceso de fisuración. Posteriormente, se expone la metodología del ensayo Fénix, desarrollado en el marco del proyecto de investigación del mismo nombre, llevado a cabo actualmente en España, presentando los primeros resultados experimentales de la influencia de diferentes variables de estudio: velocidad de aplicación de carga, envejecimiento, tipo de ligante y temperatura de ensayo. Los resultados indican que el ensayo Fénix presenta una adecuada sensibilidad y repetibilidad frente a estas variables, junto con una metodología de fácil aplicación.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft