Polymer Modified Asphalt Evaluation at Desert Environment. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (PhD Dissertation) Khaleel_AlAdham_PhD_CE_201203180.pdf - Accepted Version Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

في الآونة الأخيرة، تم إدخال عملية تصنيف وتقييم جديدة لتحسين وصف الرابط الأسفلتي المعدل والتي تستخدم اختبار الاجهاد المتعدد واستعادة المرونة. إن التأثير الكبير لخصائص الرابط الاسفلتي على أداء الرصفات يزيد من أهمية تقييم أداء التخدد والاجهاد للخلطات الاسفلتية المحسنة باستخدام البوليمرات في درجات الحرارة العالية و حركة المرور المتزايدة. في هذه الدراسة، تم تقييم أداء الخلطات الأسفلتية المعدلة من حيث الخصائص الهندسية المتعلقة بالرابط الأسفلتي والخلطات على حد سواء. حيث تم تحضير العينات باستخدام طريقة Superpave من أنواع وكميات مختلفة من البوليمرات. حيث شملت هذه البوليمرات على ستايرين-بوتادين-ستايرين ((SBS، المطاط المعاد تدويره ((CR، بوليبيلت (PB) بالإضافة إلى إيستمان إي-2 ((EE-2. تم استخدام ثلاثة خلطات من الركام المتجانس التي لها نفس التدرج الاكبر والتي تمثل الطبقة السطحية المعتمدة من قبل وزارة النقل في المملكة في تصميم تسعة وثلاثين خلطة من الخرسانة الاسفلتية المختلفة. أثبتت نتائج اختبار الرابط الاسفلتي المحسن أن قيم معامل استعادة المرونة يمكن تحسينها حتى عند درجات الحرارة العالية والتي قد تصل الى 76 درجة مئوية وذلك عنداستخدام ستايرين-بوتادين-ستايرين بنسب مختلفة تتراوح بين 2 الى 6% من الوزن الكلي للاسفلت. أما عند استخدام المطاط المعاد تدويره، فقد تبين أنه حتى عند استخدام 10 % من هذه المادة فان الاداء للرابط الاسفلتي لن يتحسن كثيرا عند الحرارة العالية جدا، وانا يمكن استخدامه عند درجة حرارة 70 مئوية و في الشوارع التي تمر فيها المركبات بنسب قليلة نسيبا. كذلك الحال بالنسبة للبوليبلت و الايستمان، فعند استخدام هذه لتحسين أداء الخلطات الاسفلتية عند درجات الحرارة العالية فان النتائج تشير أن التحسين سيكون غير مجدي اقتصاديا عند 76 درجة مئوية. لقد تم الحصول على قيم معامل ديناميكية للخلطات الاسفلتية ومن ثم تصنيفها حسب درجة أداء الرابط الاسفلتي وتدرج الحصى المستخدم لتقييم ونمذجة أداء الخلطات المصممة، كما أشارت نتائج الاختبار إلى أن معامل الديناميكية يتأثر بشكل كبيربنوع ونسبة المواد المضافة الى الخلطات. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس مقاومة التخدد وخواص الاجهاد باستخدام طرق تحاكي حركة المركبات في الموقع. حيث أوضحت النتائج أن الخلطات الغير محسنة ،والتي تناسب المناطق التي قد تصل درجة حرارة الاسفلت فيها الى 64 درجة مئوية، يمكن أن يصل فيها التخدد الى 6 مم مقارنة بالخلطات المحسنة بنسب عالية (5%) حيث تم قياس مقدار التخدد بأقل من 1 مم. وهذا مؤشر جيد على طريقة استخدام البوليمرات لهذا الهدف. أما بالنسبة لمقدار الاجهاد الحاصل للخلطات الاسفلتية المحسنة عند درجة حرارة معتدلة (20 درجة مئوية) فانه تبين أن مقدار العمر الافتراضي لمقاومة الاجهاد يعتمد بشكل كبير على كل من أداء الرابط الاسفلتي المحسن و نسبة المواد المضافة و نسبة الفراغات بين الحبيبات و نسبة الحجم الخشن من الحصى و نسبة الاسفلت الفعلى الى نسبة المواد الناعمة في الخلطة. في نهاية العمل، تم انشاء نماذج رياضية تفسر أداء الخلطات المحسنة بناءا على خصائصها ومكوناتها بحيث يمكن استخدامها في تقييم الرصفات المستخدمة من المواد المحلية التي شملتها هذه الدراسة.

English Abstract

New grading and evaluation process has been introduced to better characterize the modified asphalt binders utilizing Multiple Stress Creep Recovery (MSCR). Four polymer types commonly used in the modification of asphalt binders in local project are selected in this study. Styrene-Butadiene-Styrene (SBS), Crumb Rubber (CR), Polybilt (Pb) in addition to Eastman (EE2) were used. It is found that asphalt binder has significant contribution to the performance of the asphalt mix. Therefore, it is important to evaluate the rutting and fatigue performance of polymer modified mixtures to satisfy the latest Performance Grading (PG+) system for asphalt binders at high temperatures and traffic loads. SBS modified asphalt binders can sustain the change of Jnr value even at high service temperatures (76°C) which can resist rutting at Extremely Heavy Traffic when adding 6% of SBS and Heavy Traffic when 4% of SBS is added to local asphalt binders. The effect of 10% of crumb rubber (CR) on improving the Jnr is low compared to 6% SBS values. It can only withstand Heavy traffic at 70°C and Standard Traffic. Local asphalt binders modified with 6% of Polybilt (PG 70(V)) are suitable for weather of 70°C temperature and very heavy traffic conditions. While 6% of EE2 modified asphalts are suitable for Heavy Traffic only at same weather conditions. None of the plastomeric modified asphalt binders show significant improvement at 76°C temperature compared to SBS modified asphalts. The performance of the modified asphalt mixes were evaluated in terms of the engineering properties related to the asphalt binder and mix. Samples were prepared using Superpave mix design which contains different types and amount of polymers. Three different dense-graded aggregate blends of wearing courses with different aggregate gradation within the same nominal maximum aggregate sizes (NMAS) were used in the design of thirty nine different concrete mixes. A catalog of dynamic modulus values was developed and grouped by high temperature performance grade of the binders and aggregate gradations to evaluate and model the performance of the designed mixes. In addition, rutting resistance and fatigue properties were measured using Asphalt Pavement Analyzer (APA) and Flexural Beam Test, respectively. Test results indicated that dynamic modulus was sensitive to the PGactual temperatures and percent of course aggregate in the mix. Mixtures designed for PG+ and/or higher amounts of larger aggregates have higher dynamic modulus, lower rut depths and higher fatigue life at service temperatures. Unmodified wearing courses showed rut depth of around 6mm after 8,000 load cycles, while modified mixes that contain 5% of polymer contentcan reduce rutting to less than 1.0 mm. The slope of the permanent deformation curves of unmodified mixes was 3-4 times higher than the slope of modified mixes. A multiple linear regression equation that predicts rut depth at 64°C after applying 8,000 loads cycles was developed utilizing mix properties that include actual PG temperature, polymer content, voids in mineral aggregates effective polymer content and filler content. A correlation between laboratory measured and predicted rut depth was developed. Fatigue tests were conducted on laboratory prepared mixes to develop fatigue life prediction models and used to characterize the behavior of different polymer modified asphalt concrete mixes that represent typical wearing courses of local pavements. Tests were carried out at intermediate temperature of 20°C and different strain levels. The analysis of variance showed that the impacts of strain amplitude, binders’ actual PG temperature (TPG), Polymer content (%P), voids in mineral aggregates (VMA), percent of course aggregate (ρ4) and effective binder content to filler ratio have a significant effect on fatigue behavior. The developed models provide local pavement engineers the tool for accurate assessment of fatigue and rutting damage for different polymer modified asphalt concrete mixes. The results of this research show that with the use of polymer modification, thinner and less expensive roads can be constructed in Saudi Arabia.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering > Transportation Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Abdul Wahhab, Hamad
Committee Members:	Ratrout, Nedal and Hasan, Al-Ahmadi and Ali, Al-Gadhib and Ibnelwaleed, Hussein
Depositing User:	KHALEEL JAWAD ALADHAM (g201203180)
Date Deposited:	07 Feb 2018 05:42
Last Modified:	30 Dec 2020 13:25
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140632