Utilization of Construction demolition waste and recycled polymers in Hot Stone Mastic Asphalt HSMA. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF FINAL DRAFT OF THESIS DAUD.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 18 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تُظهر ركام مخلفات البناء والهدم (CDW) إمكانات واعدة في تقليل الطمر في المكبات والحد من استهلاك الركام الطبيعي. ومع ذلك، فإن ارتفاع قابلية الامتصاص وعدم التجانس قد يزيدان من حساسية هذه المواد للتلف الناتج عن الرطوبة في الخلطات السطحية مثل الخلطة الإسفلتية ذات التدرج الحجري (SMA). لذلك، هدفت هذه الدراسة إلى تقييم استخدام ركام CDW مع روابط إسفلتية معدّلة بمواد بوليمرية معاد تدويرها ضمن منهجية موحّدة تعتمد على نظام السوبر بيف (Superpave). تم تحضير نوعين من الروابط المعدّلة بطريقة الخلط الرطب، وهما رابط معدّل بنسبة 4% من البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE)، ورابط معدّل بنسبة 7.5% من مطاط الإطارات (CR)، وذلك كنسبة من وزن الرابط الإسفلتي. استُخدم ركام CDW لاستبدال الركام الجيري الطبيعي في الجزأين الخشن والناعم بنسب 0% و10% و30% و50% من الوزن الكلي للركام. كما تم تصميم جميع الخلطات باستخدام محتوى رابط أمثل ثابت قدره 6.3% لتحقيق نسبة فراغات هوائية مستهدفة مقدارها 4%. وتم تقييم أداء الخلطات من خلال اختبار الشد غير المباشر (ITS)، ونسبة مقاومة الشد (TSR)، ومعامل المرونة (MR) عند 25 °م، وثبات مارشال والانسياب، إضافة إلى اختبار الانفصال عند 175 °م لمدة 60 دقيقة مع وبدون إضافة 0.3% من ألياف السليلوز المعاد تدويرها. أظهرت النتائج أن قيم TSR انخفضت مع زيادة نسبة CDW في كلا النظامين، إلا أنها بقيت أعلى من 80% حتى نسبة استبدال 30%. وعند نسبة 50% انخفضت قيمة TSR إلى حوالي 76%، مما يشير إلى زيادة القابلية للتلف الرطوبي عند النسب العالية من CDW. في المقابل، ارتفعت قيم معامل المرونة مع زيادة CDW، حيث زادت في خلطات CR من 2591 إلى 3148 ميغا باسكال، وفي خلطات LDPE من 2404 إلى 3664 ميغا باسكال، مما يدل على تحسن الصلابة. كما تحسّن ثبات مارشال مع زيادة محتوى CDW، بينما انخفضت قيم الانسياب، وهو ما يؤكد زيادة صلابة الخلطات. وتأثر أداء الانفصال بدرجة كبيرة بنوع الرابط المستخدم؛ إذ تجاوزت خلطات LDPE بدون ألياف الحد المسموح به البالغ 0.3%، بينما بقيت خلطات CR ضمن الحدود المقبولة. وقد أدى استخدام 0.3% من ألياف السليلوز إلى خفض الانفصال بشكل واضح في كلا النظامين، مما حسّن ثبات الخلطة وقابليتها للتنفيذ. وبشكل عام، تشير النتائج إلى إمكانية استخدام ركام CDW بنجاح في خلطات SMA، خصوصًا حتى نسبة 30%، مع أهمية استخدام ألياف السليلوز للتحكم في الانفصال، خاصة في الخلطات المعدّلة بـ LDPE.

English Abstract

Construction and demolition waste (CDW) aggregates have strong potential to reduce landfill disposal and the consumption of natural aggregates. However, because CDW aggregates are more absorptive and less uniform, they may increase moisture damage in surface mixtures such as stone mastic asphalt (SMA). This study evaluated the use of CDW aggregates and recycled polymer-modified binders in SMA using a consistent Superpave mix design approach. Two modified binders were prepared using the wet process: 4% low-density polyethylene (LDPE) and 7.5% crumb rubber (CR), both by binder weight. CDW aggregates replaced fresh limestone in both coarse and fine aggregate fractions at 0, 10, 30, and 50% of total aggregate weight. All mixtures were designed using a constant optimum binder content of 6.3% to target 4% air voids. The mixtures were evaluated through indirect tensile strength (ITS), tensile strength ratio (TSR), resilient modulus (MR) at 25 °C, Marshall stability and flow, and drain-down testing at 175 °C for 60 minutes with and without 0.3% recycled cellulose fiber. The results showed that TSR decreased as CDW content increased for both binder systems. However, the mixtures maintained TSR values above 80% up to 30% CDW replacement, while 50% CDW reduced TSR to 76%, indicating greater moisture susceptibility at higher CDW levels. In contrast, MR increased with CDW replacement, showing improved stiffness. The CR mixtures increased from 2591 to 3148 MPa, while the LDPE mixtures increased from 2404 to 3664 MPa. Marshall stability also improved with higher CDW content, while flow values decreased, confirming increased mixture stiffness. Drain-down performance depended strongly on the binder type. LDPE mixtures without cellulose fiber exceeded the allowable 0.3% limit, while CR mixtures remained within acceptable limits. Adding 0.3% cellulose fiber significantly reduced drain-down in both systems, improving mixture stability and constructability. Overall, the findings indicate that CDW can be successfully incorporated in SMA, especially up to 30% replacement, while cellulose fiber is essential for controlling drain-down, particularly in LDPE-modified mixtures.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Construction Civil Engineering > Structural Engineering Civil Engineering > Transportation Engineering Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Hamad Al-abdulwahab,
Thesis Committee Members:	Abdul-hadi Al-juhani, Mohammed Alosta,
Depositing User:	MOHAMED DAUD (g202390950)
Date Deposited:	20 May 2026 05:40
Last Modified:	20 May 2026 05:40
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144361