Foamed bitumen and cement stabilized mixes

Abstract

Considering the rising concerns of the transportation sector in case of negative environmental effects from the construction or rehabilitation activities and more efficient use of the resources, different solutions and approaches have gained attention. Stabilization technology is one of the methods that can be adopted to produce materials with enhanced characteristics, lower production energy, higher rates of recycled products, and therefore to decrease the negative environmental effects. By utilizing foamed bitumen and cement as the binders, a composite product can be produced from different types of granular parent materials. Foamed bitumen and cement stabilized material (FCSM) has a higher bearing capacity than its parent material, lower moisture sensitivity with a balance between flexibility (resulted from bitumen) and rigidity (resulted from cement). It can be integrated into the pavement section with the aim of faster construction, higher share of recycled aggregates, lower production temperature and therefore lower emissions. Understanding the material’s behavior is necessary to be able to get the best out of mentioned advantages and deliver optimum characteristics based on the requirements of each project. In the meantime, the utilization of the material is limited in Germany mainly due to the lack of national behavioral data. Among other parameters, the amount of two binding agents (foamed bitumen and cement) plays a big role in the characteristics of the resulting material. This research tried to take a deeper look into this material and assess the effect of these two binders on its mechanical and performance characteristics and integrate them into the existing national pavement design analytical approach. The research approach was to apply as much as possible the existing methods and available knowledge in Germany. In the first part, samples were produced with different combinations of bitumen and cement content but the same parent material and mix gradation. Indirect tensile tests in static and cyclic modes, at different temperatures and frequencies, were performed to assess the strength, stiffness and response of the mixes to cyclic load (fatigue). Comparing the stiffness master curves of different mix combinations together showed that the effect of cement on increasing the stiffness is much more than the bitumen. It was shown that the Poisson’s ratio amount is an important factor in case of applying indirect tensile mode for the stiffness tests. Poisson’s ratio was determined at different temperatures for all mix combinations and its effect on the stiffness master curves was assessed. Comparing the master curves with the reference hot mix asphalt showed a lower temperature dependency of these mixes. Results of the multi-step stiffness tests showed that besides the temperature and loading rate, material’s response is also affected by the level of stress (or strain) in the test. Results of multi-round stiffness tests revealed that after the first round, a state of stiffness resiliency forms in which the stiffness is only temperature-dependent and is valid till the maximum experienced strain level. These results showed that the material behavior is a combination of a bituminous bond and granular unbound materials. Fatigue tests results showed a good correlation between the ratio of cement to bitumen and the slope of the fatigue line. It is recommended to keep the cement content low (normally 1% and not more than 1.5% of the dry mass of aggregates). Based on the test’s results of this research, bitumen amounts higher than 3% can lead to a resulting material that the fatigue can be taken as the primary failure mode. In the second part, the gained knowledge was used for developing an analytical structural design for pavements with FSCM layer. A model was developed to consider both behaviors of the material. Its parameters can be determined by using the stiffness master curve and multi-step stiffness test (one temperature and frequency) results. The model was applied to determine the stiffness at different temperatures and horizontal strain levels as the input parameter into a linear elastic pavement design software. A shift factor was also determined to link the laboratory fatigue results to the pavement life. By considering the results of structural designs with different material models, a three-level structural design method was developed based on the level of the available material data and the required accuracy from the design. By utilizing the findings and developed methods in this research, it is now possible to produce FCSM mixes, prepare specimens, test them, determine the needed input parameters and perform the structural design of the pavements with this construction type in Germany. These are the foundation for further research and developments on this material and construction type in Germany.

In Anbetracht der zunehmenden Bedeutung negativer Umweltauswirkungen von Bau- und Sanierungsmaßnahmen und die effizientere Nutzung der Ressourcen im Verkehrssektor haben verschiedene alternative Lösungen und Ansätze an Aufmerksamkeit gewonnen. Die Stabilisierungstechnologie ist eine der Methoden, die zur Herstellung von Materialien mit verbesserten Eigenschaften, geringerem Energieaufwand bei der Herstellung und höherem Anteil an recycelten Produkten eingesetzt werden kann und somit negative Umweltauswirkungen verringert. Durch die Verwendung von Schaumbitumen und Zement als Bindemittel kann ein Verbundprodukt aus verschiedenen Arten von granularem Ausgangsmaterial hergestellt werden. Schaumbitumen und zementstabilisiertes Material (FCSM) hat eine höhere Tragfähigkeit als das Ausgangsmaterial, ist weniger feuchtigkeitsempfindlich und bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flexibilität (aufgrund von Bitumen) und Steifigkeit (aufgrund von Zement). Es kann Verwendung finden, um eine schnellere Bauzeit, einen höheren Anteil an rezyklierten Zuschlagstoffen, eine niedrigere Produktionstemperatur und damit geringere Emissionen zu erreichen. Das Verständnis des Materialverhaltens ist notwendig, um das Beste aus den genannten Vorteilen herauszuholen und optimale Eigenschaften auf der Grundlage der Anforderungen des jeweiligen Projekts zu erzielen. Derzeit ist die Nutzung des Materials in Deutschland vor allem aufgrund des Mangels an nationalen Erfahrungswerten begrenzt. Neben anderen Parametern spielt die Menge der beiden Bindemittel (Schaumbitumen und Zement) eine große Rolle für die Eigenschaften des resultierenden Materials. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde versucht, dieses Material genauer zu untersuchen und die Auswirkungen der beiden Bindemittel auf die mechanischen und leistungsbezogenen Eigenschaften zu bewerten und sie in den bestehenden nationalen Analyseansatz für die Dimensionierung zu integrieren. Der Ansatz bestand darin, so weit wie möglich die bestehenden Methoden und das in Deutschland vorhandene Wissen anzuwenden. Im ersten Teil wurden Proben mit unterschiedlichen Kombinationen von Bitumen- und Zementgehalt, aber dem gleichen Ausgangsmaterial und der gleichen Mischgutabstufung hergestellt. Indirekte Zugversuche im statischen und zyklischen Modus, bei verschiedenen Temperaturen und Frequenzen wurden durchgeführt, um die Festigkeit, Steifigkeit und das Verhalten der Mischungen bei zyklischer Belastung (Ermüdung) zu bewerten. Der Vergleich der Steifigkeitsfunktionen verschiedener Mischgutkombinationen zeigte, dass die Wirkung des Zements auf die Erhöhung der Steifigkeit dominanter ist als die des Bitumens. Es wurde gezeigt, dass die Höhe der Poissonzahl ein wichtiger Faktor bei der Anwendung des indirekten Zugmodus für die Steifigkeitstests ist. Die Poissonzahl wurde bei verschiedenen Temperaturen für alle Mischungskombinationen bestimmt und ihr Einfluss auf die Steifigkeitsfunktionen bewertet. Der Vergleich der Hauptkurven mit dem Referenz-Heißmischasphalt zeigte eine geringere Temperaturabhängigkeit dieser Mischungen. Die Ergebnisse der mehrstufigen Steifigkeitsprüfungen zeigten, dass neben der Temperatur und der Belastungsrate auch die Höhe der Spannung (oder Dehnung) im Test die Materialreaktion beeinflusst. Die Ergebnisse der mehrstufigen Steifigkeitsprüfungen zeigten, dass sich nach der ersten Stufe ein Zustand der Steifigkeitsnachgiebigkeit einstellt, bei dem die Steifigkeit nur von der Temperatur abhängt und bis zum maximalen Dehnungsniveau gültig ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Materialverhalten eine Kombination aus bituminösem Verbund und körnigem, ungebundenem Material ist. Die Ergebnisse der Ermüdungstests zeigten eine gute Korrelation zwischen dem Verhältnis von Zement zu Bitumen und der Steigung der Ermüdungslinie. Es wird empfohlen, den Zementgehalt niedrig zu halten (normalerweise 1 % und nicht mehr als 1,5 % der Trockenmasse der Zuschlagstoffe). Basierend auf den Versuchsergebnissen dieser Untersuchung kann ein Bitumenanteil von mehr als 3 % zu einem Material führen, bei dem die Ermüdung als primäre Versagensart angesehen werden kann. Im zweiten Teil wurden die gewonnenen Erkenntnisse für die Entwicklung eines analytischen Dimensionierungsentwurfs für Beläge mit FSCM-Schicht verwendet. Es wurde ein Modell entwickelt, das beide Verhaltensweisen des Materials berücksichtigt. Seine Parameter können anhand der Steifigkeits-Hauptkurve und der Ergebnisse von mehrstufigen Steifigkeitsprüfungen (eine Temperatur und Frequenz) bestimmt werden. Das Modell wurde angewandt, um die Steifigkeit bei verschiedenen Temperaturen und horizontalen Dehnungsstufen als Eingabeparameter in eine linear-elastische Belagsplanungssoftware zu bestimmen. Außerdem wurde ein Verschiebungsfaktor bestimmt, um die Laborergebnisse zur Ermüdung mit der Lebensdauer des Belags zu verknüpfen. Unter Berücksichtigung der Dimensionierungsergebnisse mit verschiedenen Materialmodellen wurde eine dreistufige Dimensionierungsmethode entwickelt, die auf dem Niveau der verfügbaren Materialdaten und der erforderlichen Genauigkeit der Dimensionierung basiert. Durch die Nutzung der Erkenntnisse und entwickelten Methoden dieses Forschungsprojektes ist es nun möglich, FCSM-Mischungen herzustellen, Probekörper zu präparieren, diese zu prüfen, die erforderlichen Eingangsparameter zu bestimmen und die Dimensionierung von Fahrbahnaufbauten mit dieser Bauart in Deutschland durchzuführen. Dies sind die Grundlagen für weitere Forschungen und Entwicklungen zu diesem Baustoff und dieser Bauweise in Deutschland.