Investigation of the aging phenomenon in asphalt binders and asphalt mixtures: linear viscoelastic behavior and performance properties
| Ano de defesa: | 2023 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
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| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Idioma: | eng |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil Engenharia Civil UFSM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil Centro de Tecnologia |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/27671 |
Resumo: | A data da defesa está de acordo com o que consta registrado na ata da defesa. |
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Investigation of the aging phenomenon in asphalt binders and asphalt mixtures: linear viscoelastic behavior and performance propertiesInvestigação do fenômeno de envelhecimento em ligantes e misturas asfálticas: comportamento viscoelástico linear e propriedades de desempenhoAsphalt binderAsphalt mixturesAgingLVEFatigueField agingLigantes asfálticoMisturas asfálticasEnvelhecimentoFadigaCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVILA data da defesa está de acordo com o que consta registrado na ata da defesa.A análise do comportamento das misturas asfálticas é de extrema importância no cenário da pavimentação, cujo objetivo final é o melhor desempenho aliado à economia de recursos. A caracterização e previsão precisas das propriedades das misturas estão se tornando fatores mais importantes à medida que métodos mais precisos de previsão de desempenho de pavimentos estão sendo implementados. Contudo, a previsão da performance dos materiais asfálticos ainda é tarefa desafiadora, visto que inúmeros fatores que afetam os materiais asfálticos ainda necessitam de maiores investigações, entre eles, o fenômeno de envelhecimento. O envelhecimento é geralmente definido como a mudança nas propriedades reológicas a partir da mudança da composição química, e impacta na performance dos pavimentos. De forma a investigar estes fenômenos em campo e em laboratório, oito segmentos monitorados foram estabelecidos nesta pesquisa e tiveram seus materiais (ligantes, agregados e misturas) coletados durante a execução do revestimento. O impacto a partir dos protocolos laboratoriais de envelhecimento de ligantes asfálticos foi investigado e índices para mensurar os níveis de oxidação foram observados. A maioria dos índices reológicos encontrados na literatura, e os dados experimentais em temperaturas intermediárias e altas, mostraram-se bons indicadores do fenômeno de envelhecimento, e se correlacionam fortemente as alterações químicas e de performance a fadiga observadas. Extração de amostras e recuperação dos ligantes em diferentes profundidades foram realizadas ao longo do tempo em campo. Observou-se o perfil de envelhecimento dos ligantes a partir das alterações nas propriedades do domínio linear viscoelástico (LVE), e o impacto que estas alterações causaram na suscetibilidade aos principais defeitos dos pavimentos asfálticos: trincamento por fadiga e afundamento de trilha de roda. Em geral, foi observado ganho de rigidez e perda de parcela viscosa na resposta as deformações, ganho de resistência a deformação permanente, e comportamento a fadiga atrelado aos níveis de deformações impostas. A degradação polimérica durante a produção em usina impactou severamente os ligantes modificados por SBS. Tempos de equivalência do protocolo RTFOT com a produção em usina forma observados. Verificações acerca do uso de amostras reduzidas (38 mm x 110 mm) foram realizadas, e provaram que esta geometria gera resultados confiáveis de módulo complexo e comportamento de fadiga em misturas asfálticas. As amostras reduzidas, proporcionaram o estudo das misturas envelhecidas em campo como construídas, a partir da extração horizontal de amostras, e também indicou que o volume de vazios (vinculado a compactação de campo) é fator importante na performance do pavimento e nos custos ao longo da vida útil. Uma analise multi-escala (ligante/mistura/campo) foi realizada em relação a resistência a deformação permanente e demonstrou que o comportamento do ligante é herdado pelo pavimento. Ligantes modificados, levaram a melhores desempenhos de misturas em laboratório e em campo. Verificações do comportamento LVE das misturas ao longo do envelhecimento de campo e laboratório foram realizadas, e demonstraram que as misturas ganham rigidez em domínios de altas temperaturas, e perdem parcela viscosa para domínios de baixas e intermediárias temperaturas. Correlações entre tempo de exposição em campo e protocolo de envelhecimento em estufa foram obtidos. Ao final, a análise de performance a fadiga foi avaliada ao longo do envelhecimento das misturas em laboratório. Observou-se que o ganho ou perda de desempenho é função do nível de envelhecimento e das deformações impostas. Uma forte relação foi obtida entre a resistência a fadiga dos ligantes e a resistência a fadiga das misturas.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESThe analysis of the behavior of asphalt mixtures is extremely important in the paving scenario, whose final objective is the best performance combined with resource savings. Accurate characterization and prediction of mix properties is becoming more important as more accurate methods of predicting pavement performance are being implemented. However, predicting the performance of asphalt materials is still a challenging task, since numerous factors that affect asphalt materials still require further investigation, including the aging phenomenon. Aging is generally defined as the change in rheological properties from the change in chemical composition, and impacts on the performance of pavements. In order to investigate these phenomena in the field and in the laboratory, eight monitored segments were established in this research and had their materials (binders, aggregates and mixtures) collected during the execution of the coating layer. The impact from laboratory aging protocols of asphalt binders was investigated and indices to track oxidation levels were observed. Most rheological indices found in the literature, and experimental data at intermediate and high temperatures, proved to be good indicators of the aging phenomenon, and strongly correlate with chemical changes and fatigue performance. Sample extraction and binder recovery at different depths were performed over time in the field. The aging profile of the binders was observed from changes in the properties of the linear viscoelastic domain (LVE), and the impact that these changes caused on the susceptibility to the main defects of asphalt pavements: cracking due to fatigue and rutting. In general, stiffness gain and loss of viscous portion were observed in response to deformations. Increased resistance to permanent deformation, and fatigue behavior linked to imposed strain levels were also observed. Polymer degradation during in-plant production severely impacted the SBS-modified binders. Equivalence time of the RTFOT protocol with the production in the plant was observed. Verifications regarding the use of reduced samples (38 mm x 110 mm) were carried out, and proved that this geometry generates reliable results of complex modulus and fatigue behavior in asphalt mixtures. This investigation allowed the study of mixtures aged in the field as built, from the horizontal extraction of samples, and also indicated that air voids (linked to field compaction) is an important factor in the performance of the pavement and in the costs throughout its service life. A multiscale analysis (binder/mixture/field) was carried out in relation to resistance to permanent deformation and demonstrated that the behavior of the binder is inherited by the pavement. Modified binders led to better performance of mixtures in the laboratory and in the field. Verifications of the LVE behavior of the mixtures over field and laboratory aging were carried out, and demonstrated that the mixtures gain stiffness in domains of high temperatures, and lose a viscous portion for domains of low and intermediate temperatures. Correlation between time in field and oven aging protocol were obtained. At the end, the fatigue performance analysis was evaluated during the aging of the mixtures in the laboratory. Gain or loss of performance was observed depending on the level of aging and level of imposed deformations. A strong relationship was obtained between the fatigue resistance of the binders and the fatigue resistance of the mixtures.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia CivilUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilCentro de TecnologiaSpecht, Luciano Pivotohttp://lattes.cnpq.br/8038412953408618Pereira, Deividi da SilvaBueno, Lucas DottoNascimento, Luis Alberto Herrmann doCapitão, Silvino DiasSchuster, Silvio Lisboa2023-01-27T19:25:03Z2023-01-27T19:25:03Z2023-01-17info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/27671ark:/26339/00130000122z8engAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2023-01-27T20:08:59Zoai:repositorio.ufsm.br:1/27671Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2023-01-27T20:08:59Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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