Influence of aggregate temperature before mixing of BSM-emulsion and BSM-foamed on compaction density, tensile strength, and shear properties
Date
2023-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: The system of constructing the road pavement in layers was discovered by the Romans about 600B.C. Road layer works were constructed in four-layers with the base layer being constructed with gravel and sand stabilized with lime cement. Eventually, the usage of bituminous pavements and angular aggregate was invented in the mid-1800s. The hot mix asphalt with graded aggregate pavement was discovered early in the 1900s. Bitumen stabilized materials (BSM) binders (bitumen emulsion and foam bitumen) were discovered in the mid-year of 1922 and about the 1950s respectively. These technological binders are currently common and are used in road pavement construction practices around the world, especially for the construction of the base layer which carries most of the traffic load before being distributed to the underlying pavement layers. More research is required on the latest materials which are currently used in the construction of road layer works particularly bitumen-stabilized materials. This research project investigates the compaction density, tensile strength, and shear properties of the behaviour of bitumen stabilized materials in terms of performance influenced by the aggregate mixing temperature for BSMs, for both emulsion and foamed bitumen mixes. The performance of the BSM mixes is analyzed properly when a mechanical test is used. For this research project, the ITS tests for 100%G2 materials stabilized with both bitumen emulsion and foam bitumen were done. That included the ITS test of the blending of 75% RA and 25% G2 as well. The bitumen content used for stabilizing with foam bitumen was 2.1% and 3.5% (consisting of 2.1% residual bitumen and 1.4% water content) when stabilizing with bitumen emulsion. The shear properties of the BSM mixes were determined by monotonic triaxial testing for both foam bitumen and bitumen emulsion. The critical aggregate mixing temperatures that this research project focused on were 50C, 100C, and 150C. The ITS results obtained indicated that when G2 material is at a higher mixing temperature and stabilized with foam bitumen, it performs well under dry conditions but poorly under wet conditions. That means, it is less moisture susceptible. The ITS results for the blending of 75% RA and 25% G2 showed the same results but with less indication of moisture susceptibility. BSM mixes perform well when the mixing temperature of aggregates is high, and it performs poorly when the aggregate mixing temperature is low. Monotonic triaxial test results showed an increase in cohesion when the mixing temperature of the aggregates for BSM mix is high with a lower internal friction angle and decreases when aggregate mixing temperature decreases.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die bou van plaveisels deur gebruik te maak van verksillende strukturele lae is ontwikkel deur die Romeine omstreeks 600B.C. Plaveisels was gebou met vier lae waarvan die kroon laag uit gruis of sand gebou was wat met kalk gestabiliseer is. Die gebruik van bitumen as bind middel in plaveisels en hoekige aggregaat as kroonlaag material was in die middel van die 1800's uitgevind. Die samevoeging van warm bitumen en gegradeerde aggregaat om asfalt te vorm as plaveisel materiaal se ontwikkeling kom van so vroeg as die 1900's. Die bind middels (bitumnemulsie en skuimbitumen) wat gepaard gaan met bitumen gestabiliseerde materiale (BSM) is onderskeidelik in die middel van 1922 en ongeveer die 1950's ontdek. Hierdie tegnologiese bindmiddels word tans algemeen in plaveisel konstruksie regoor die wereld gebruik, veral om die kroonlaag te bou wat die meerderheid van die vervoerlading van verkeer dra, die kroonlaag laag versprei grootliks die hoe spanning na onderliggende lae van swakker kwaliteit materiaal. Meer navorsing is nodig oor beskikbare materiale wat tans in die konstruksie van plaveisels gebruik word, veral bitumen-gestabiliseerde materiale wat uit natuurlike kroonlaag materiale en kombinasies van natuurlike en herwinde material bestaan. Hierdie navorsingsprojek ondersoek die kompaksie-digtheid, treksterkte en skuif-eienskappe van die gedrag van bitumen gestabiliseerde materiale in terme van prestasie wat deur die temperatuur van die aggregaat beinvloed is voordat dit as BSM's gemeng word, vir beide emulsie en skuim bitumenmengsels. Die material eienskappe in term van sterkte en stabiliteit van die BSM-mengsels word behoorlik ontleed wanneer meganiese toets resultate ontleed word. Vir hierdie navorsingsprojek is die ITS-toetse vir 100% G2-materiaal wat gestabiliseer is met beide bitumen-emulsie en skuim bitumen gedoen. Dit sluit ook die ITS-toetse van die vermenging van 75% RA (herwinde asfalt) en 25% G2 in. Die bitumeninhoud wat gebruik word om met skuim- bitumen te stabiliseer, was 2,1% en 3,5% onderskeidelik (wat bestaan uit 2,1% residuele bitumen en 1,4% waterinhoud) wanneer dit met bitumen-emulsie gestabiliseer word. Die skuifseienskappe van die BSM-mengsels is bepaal deur monotoniese drie-assige toetse op beide die skuimbitumen en bitumen-emulsie toe te pas. Die kritieke temperatuur waarop hierdie navorsingsprojek gefokus het, was 50C, 100C en 150C. Die ITS-resultate wat verkry is, het aangedui dat G2-materiaal wat by 'n hoer temperatuur gestabiliseer word met skuim bitumen, beter presteer onder droe toestande, maar swak onder nat toestande, wat beteken dat dit baie vog sensitief is. Die ITS-resultate vir die vermenging van 75% RA en 25% G2 het dieselfde resultate getoon, maar met minder mate van vogsensitiwiteit. BSM-mengsels presteer beter indien die temperatuur van die aggregate voor vermenging verhoog word en swakker in verlaagde temperatuur omgewings. Monotoniese drie-assige toetsresultate het 'n toename in kohesie getoon toe die temperatuur van die aggregaat verhoog was voor vermenging van die BSM-materiaal, met 'n laer interne wrywinghoek en ‘n daling in die koue temperatuur omgewing.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die bou van plaveisels deur gebruik te maak van verksillende strukturele lae is ontwikkel deur die Romeine omstreeks 600B.C. Plaveisels was gebou met vier lae waarvan die kroon laag uit gruis of sand gebou was wat met kalk gestabiliseer is. Die gebruik van bitumen as bind middel in plaveisels en hoekige aggregaat as kroonlaag material was in die middel van die 1800's uitgevind. Die samevoeging van warm bitumen en gegradeerde aggregaat om asfalt te vorm as plaveisel materiaal se ontwikkeling kom van so vroeg as die 1900's. Die bind middels (bitumnemulsie en skuimbitumen) wat gepaard gaan met bitumen gestabiliseerde materiale (BSM) is onderskeidelik in die middel van 1922 en ongeveer die 1950's ontdek. Hierdie tegnologiese bindmiddels word tans algemeen in plaveisel konstruksie regoor die wereld gebruik, veral om die kroonlaag te bou wat die meerderheid van die vervoerlading van verkeer dra, die kroonlaag laag versprei grootliks die hoe spanning na onderliggende lae van swakker kwaliteit materiaal. Meer navorsing is nodig oor beskikbare materiale wat tans in die konstruksie van plaveisels gebruik word, veral bitumen-gestabiliseerde materiale wat uit natuurlike kroonlaag materiale en kombinasies van natuurlike en herwinde material bestaan. Hierdie navorsingsprojek ondersoek die kompaksie-digtheid, treksterkte en skuif-eienskappe van die gedrag van bitumen gestabiliseerde materiale in terme van prestasie wat deur die temperatuur van die aggregaat beinvloed is voordat dit as BSM's gemeng word, vir beide emulsie en skuim bitumenmengsels. Die material eienskappe in term van sterkte en stabiliteit van die BSM-mengsels word behoorlik ontleed wanneer meganiese toets resultate ontleed word. Vir hierdie navorsingsprojek is die ITS-toetse vir 100% G2-materiaal wat gestabiliseer is met beide bitumen-emulsie en skuim bitumen gedoen. Dit sluit ook die ITS-toetse van die vermenging van 75% RA (herwinde asfalt) en 25% G2 in. Die bitumeninhoud wat gebruik word om met skuim- bitumen te stabiliseer, was 2,1% en 3,5% onderskeidelik (wat bestaan uit 2,1% residuele bitumen en 1,4% waterinhoud) wanneer dit met bitumen-emulsie gestabiliseer word. Die skuifseienskappe van die BSM-mengsels is bepaal deur monotoniese drie-assige toetse op beide die skuimbitumen en bitumen-emulsie toe te pas. Die kritieke temperatuur waarop hierdie navorsingsprojek gefokus het, was 50C, 100C en 150C. Die ITS-resultate wat verkry is, het aangedui dat G2-materiaal wat by 'n hoer temperatuur gestabiliseer word met skuim bitumen, beter presteer onder droe toestande, maar swak onder nat toestande, wat beteken dat dit baie vog sensitief is. Die ITS-resultate vir die vermenging van 75% RA en 25% G2 het dieselfde resultate getoon, maar met minder mate van vogsensitiwiteit. BSM-mengsels presteer beter indien die temperatuur van die aggregate voor vermenging verhoog word en swakker in verlaagde temperatuur omgewings. Monotoniese drie-assige toetsresultate het 'n toename in kohesie getoon toe die temperatuur van die aggregaat verhoog was voor vermenging van die BSM-materiaal, met 'n laer interne wrywinghoek en ‘n daling in die koue temperatuur omgewing.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2023.