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Insights into the homogeneity of asphalt mixtures containing reclaimed asphalt pavement (RAP)

Liu, Quan^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Quan Liu

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Oeser, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Wellner, Frohmut (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-10-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-10139
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/834771/files/834771.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen (313410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
reclaimed asphalt pavement (frei) ; multi-scale homogeneity (frei) ; asphalt mixtures (frei) ; mixing conditions (frei) ; molecular dynamics simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
In den letzten zwei Jahrzehnten hat wiedergewonnener Asphaltbelag (RAP) aufgrund des Klimawandels und der Anforderungen an die Ressourcenschonung zunehmende Aufmerksamkeit erfahren. Die derzeit hohe Wiederverwendungsrate von Altasphalt reduziert die Deponieflächen der Entsorgung und die damit verbundenen Umweltauswirkungen grundlegend. Daher kann der Einsatz von RAP neben der Reduzierung der Baukosten und des Verbrauchs natürlicher Ressourcen auch erhebliche Umweltvorteile schaffen, wie beispielsweise die Lösung der Entsorgungsprobleme. Diese Diplomarbeit wurde mit dem Schwerpunkt auf der Homogenität von Asphaltmischungen mit RAP-Materialien aus multiskaliger Perspektive durchgeführt. Die Homogenität von Asphaltmischungen bestimmt in hohem Maße die Leistungsfähigkeit von Asphaltmischungen bei entsprechender Materialauslegung. Die Verteilung von Gesteinskörnungen, die Bindemittelmigration und die Diffusion von Bindemitteln im Mischprozess von losen Asphaltmischungen werden durch die Mischvorrichtung, Mischtemperaturen und Mischdauern usw. beeinflusst. Im Rahmen des Multiskalenrahmens wird daher diese Arbeit betrachtet die Variablen wie Mischtemperatur, Mischzeit, Wärmeleitfähigkeit, Zuschlagstofftyp, um einen Einblick in die Homogenität von Asphaltmischungen mit RAP zu erhalten. Der Einfluss der Mischbedingungen auf die makroskalige Homogenität wurde untersucht. Das experimentelle Design berücksichtigte eine thermische Gleichgewichts-Mischumgebung. Es wurden ein indirekter Zugmodul in mehreren Richtungen und eine morphologische Charakterisierung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine lange Mischzeit die Bildung des homogenen Zustands begünstigte, insbesondere für das Aufbrechen von Clustern in RAP-Materialien. Mit zunehmender Mischzeit nahm die Makrohomogenität der Asphaltmischung vom Zustand „momentane Homogenität“ bis zum Zustand „reale Homogenität“ (Mischmodell im Makromaßstab) zu. Während eine hohe Mischtemperatur eine negative Rolle bei der Materialverteilung spielte, wurde behauptet, dass der Temperaturanstieg das Aufbrechen von Clustern behindern und die Zustandsverschiebung in Richtung eines „echten Homogenitätszustands“ verlängern würde. Der Einfluss der Mischungsbedingungen auf die Homogenität auf der Mesoskala sowohl in thermischen Gleichgewichts- als auch in thermischen Nichtgleichgewichts-Umgebungen wurde untersucht. Als Messverfahren werden das dynamische Scherrheometer (DSR) und die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass in Bezug auf Migration und Diffusion die Mischtemperatur eine wichtigere Rolle spielte als die Mischzeit. Als migrationsdominierte Phase gefolgt von der diffusionsdominierten Phase wurde ein zweistufiges Modell (Mikro- und Mesoskaliges Mischmodell) vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde das Asymmetric Gaussian Model (AGM) entwickelt, um die Mischgeschwindigkeit mit der Mischzeit quantitativ zu beschreiben. Die Diffusion zwischen RAP-Bindemittel und neuem Bitumen war eng mit der mesoskaligen Homogenität von Asphaltmischungen (Bindemittelmigration) verbunden. Mit anderen Worten, die Diffusion erfolgte nur, wenn das RAP-Bindemittel und neues Bitumen zusammenwirkten. Die Molekulardynamiksimulation wurde bei der Untersuchung des Alterungsgradienten in Bitumen und der Diffusion zwischen RAP-Bindemittel und neuem Bitumen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Alterungsgradient zusammen mit der Tiefe existierte. Auf molekularer Ebene kann die Grenzfläche zwischen Neubitumen und Altbitumen aufgrund der Migration von Harzkomponenten schnell erreicht werden. Der Diffusionsprozess war jedoch im Vergleich zur Grenzflächenbildung erheblich langsam. Darüber hinaus kann die Zuschlagschicht durch Anhaften an den polaren Molekülen in Bitumenbindemitteln den Diffusionsprozess zwischen neuem und gealtertem Bitumen beschleunigen. Zusätzlich zur Veranschaulichung der Errungenschaften schlug diese Dissertation drei relative Forschungsthemen vor, die für zukünftige Arbeiten verdient sind: (1) Quantitative Charakterisierung der Probenmorphologie von zweidimensional (2D) zu dreidimensional (3D); (2) Die Entwicklung der Multi-Scale Synchro-adjust Methodology (MSM) hin zu einer nahezu perfekten homogenen Asphaltmischung; (3) Der Einsatz computergestützter Verfahren bei der Bemessung von RAP-haltigen Asphaltmischungen von Anfang bis Ende.

Over the past two decades, reclaimed asphalt pavement (RAP) has received increasing attention because of climate change and resource-saving needs. The current high reuse rate of old asphalt fundamentally reduces the landfill areas of the disposal and its related environmental impacts. Hence, in addition to reducing the construction cost and the consumption of natural resources, the use of RAP can also create significant environmental benefits, such as solving the disposal problems. This thesis was carried out focusing on the homogeneity of asphalt mixture containing RAP materials from multi-scale perspectives. The homogeneity of asphalt mixtures, to a great extent, determines the performance of asphalt mixtures provided that with an appropriate material design. The distribution of aggregates, binder migration, and diffusion of binders in the mixing process of loose asphalt mixtures are influenced by the mixing apparatus, mixing temperatures, and mixing durations, etc. Under the multi-scale framework, therefore, this thesis considered the variables including mixing temperature, mixing time, thermal conductivity, aggregate type to obtain an insight into the homogeneity of asphalt mixtures containing RAP. The influence of mixing conditions on the macro-scale homogeneity was investigated. The experimental design considered a thermal-equilibrium mixing environment. Multi-direction indirect tensile modulus and morphological characterization were performed. The results indicated that a long mixing time benefited the formation of homogenous state, in particular for the breaking of clusters in RAP materials. As the mixing time increased, the macro-homogeneity of asphalt mixture experienced from ‘momentary homogeneity’ state to ‘real homogeneity’ state (Macro-scale mixing model). Whereas, a high mixing temperature played a negative role in the distribution of materials, claimed as that the increase of temperature would obstacle the breaking of clusters and prolong the state shift toward a ‘real homogeneity’ state. The influence of mixing conditions on the mesoscale homogeneity in both thermal-equilibrium and thermal-non-equilibrium environments were investigated. The dynamic shear rheometer (DSR) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) are adopted as the measurement methods. The results indicated that, in terms of the migration and diffusion, the mixing temperature played a more important role than mixing time. Two-stage model (Micro- and Meso- scale mixing model) were proposed as the migration-dominated stage followed by the diffusion-dominated stage. In addition, the Asymmetric Gaussian Model (AGM) was developed to quantitatively describe the blending rate with mixing time. The diffusion between RAP binder and new bitumen was tightly associated with the meso-scale homogeneity of asphalt mixtures (migration of binders). In another word, the diffusion occurred only if the RAP binder and new bitumen interacted. The molecular dynamics simulation was performed in the investigation of aging gradient in bitumen and the diffusion between RAP binder and new bitumen. The results indicated that the aging gradient existed along with the depth. At the molecular scale, the interface between virgin bitumen and aged can be quickly achieved due to the migration of resin components. However, the diffusion process was considerably slow compared with the interface formation. Moreover, the aggregate layer, by adhering to the polar molecules in bitumen binders, can accelerate the diffusion process between new and aged bitumen. In addition to illustrating the achievements, this thesis proposed three relative research topics deserved for future work, which are (1) Quantitative characterization of sample morphology from two-dimension (2D) to three-dimension (3D); (2) The development of Multi-Scale Synchro-adjust Methodology (MSM) towards a near-perfect homogenous asphalt mixture; (3) The use of computer-aided methods in the design of asphalt mixtures containing RAP from begin to the end.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT021138208

Interne Identnummern
RWTH-2021-10139
Datensatz-ID: 834771

Beteiligte Länder
Germany