SCRAP tire rubber (STR) can be incorporated into asphalt mixtures in two different methods, which are referred to as the wet-dry process. The blending of recycled rubber (CRM) with asphalt has been used for years, and several manufacturing processes have been developed in Europe as well as in the USA. The use of a bituminous sub-ballast layer has been pointed out as an exciting alternative to the granular sub-ballast design traditionally applied in most railroad tracks. Frequently, unbound granular materials are replaced by bituminous sub-ballast that provide additional benefits to the subgrade protection. Much research has been conducted on finding other alternative material to be used as a modifier in asphalt mixes to improve its properties. Rubberized asphalt mixtures (RUMAC) are regarded as a proper solution for improving the strength of the rail-track section. In comparison with traditional granular sub-ballast, these materials allow an increase in bearing capacity and excellent protection of the substructure. The recycled rubber has become a significant enhancer of the modified bituminous mixtures, and in this work, it has been shown as a sustainable improvement option in hot mix asphalt (HMA) mixes due to the elastic behavior exposed by the rubber particles especially in reducing the fatigue cracking potential. This thesis presents a laboratory evaluation of the performance of HMA-DRY mixes to study its application as sustainable bituminous sub-ballast manufactured from scrap tires at the end of their service life. To this end, the procedures developed in the Department of Civil Engineering of the University of Palermo during 2014 to 2017, were focused on evaluating the mechanical behavior of bituminous materials in comparison to that presented by conventional sub-ballast. Mechanical performance was examined concerning the primary requirements that need these materials (resistance to energy dissipation, fatigue-cracking strength and, waterproof properties) for their use in railway tracks. Inside the SUP&R ITN project, enrolled as an ESR-8 fellow, the primary purpose of this laboratory research was the application of ambient crumb rubber (0.2mm to 0.4mm) and ground rubber (2mm to 4mm) recycled from discarded truck tires. CRM was processed at a standard temperature (20ºC) inside hot bituminous mixtures (160-220 ºC) as a substitute for 1.5%, 2% and 3% by weight of the total aggregates using the Volumetric Mix-Design gyratory compactor (SGC) and Asphalt Slab Roller Compactor (ASRC). The impact of temperature on the mechanical properties and thermal susceptibility of the railway bituminous sub-ballast layer has served as motivation to develop the advanced measurement of the thermal cycles inside the rail track. Different simulations following the AASHTO Mechanistic calibrated model with Kentrack and Kenpave software (Univ. Kentucky) were developed to be effective with the best mix-design for railways. Thermal cycles in this layer and, an evaluation of the characteristic parameters were found. A chapter was then included on the application of the AASHTO mechanistic-empirical pavement design approach to railways, to calculate first strain and deformation parameters, resulting in a rationale for the definition of a Railway Equivalent Standard Axle Load (RESAL) and a design number of gyrations for use with SGC. CRM incorporated into asphalt mixes by using “dry process” method which refers to technology that mixes the fine-ground rubber with the aggregate before mixing it with asphalt binder. Two aggregate gradations were considered under this investigation, dense-graded (asphaltic concrete with 22.4mm nominal maximum aggregate size) and gap-graded (stone mastic asphalt with 31.5mm maximum aggregate size). For each particle size distribution, of an aggregate sieve, the percentages of CRM added varied from 1 to 3% by weight of the total aggregates. RFI Italian standard as grading curve and Superpave gyratory compactor technique as mix-design were used. The UGR_FACT device investigated that RUMAC mixes had shown a higher resistance to fatigue cracking compared to the conventional blend as a performance indicator. The results proved that the rubberized sustainable solution studied can offer advantages such as reducing greenhouse emissions, fuel consumption and, a suitable performance for railways tracks from a mechanical behavior point of view. The purpose of using rubber modifiers in HMA to obtain a stiffer-elastic sustainable material has been achieved for the assessment of its behavior in the sub-ballast layer. The better overall performance and fatigue results obtained were with an amount of 2% of crumb rubber and a 6% of bitumen added.

Tesi di dottorato sotto la supervisione del professore Gaetano di Mino del Dipartimento di Ingegneria Civile di Palermo), come borsista Marie-Curie all'interno del progetto SUPRITN 2013/2017. Il mio lavoro e la linea della ricerca riguarda i conglomerati bituminosi con granulato di gomma per lo strato di sub-ballast nelle linee ferroviarie. L’attività di ricerca comprende il mix-design dell’asfalto con aggiunta di gomma, la caratterizzazione e le prestazioni per la ferrovia in termini di comportamento meccanico e lo smorzamento delle vibrazioni. In particolare con l’avvento dell’alta velocità, diversi studi hanno evidenziato ottime caratteristiche fisico-meccaniche per ciò che riguarda il conglomerato bituminoso con gomma naturale. Gli effetti benefici riguardano soprattutto l’abbattimento delle tensioni di trazione nella massicciata, la riduzione del degrado sovrastrutturale e la conseguente diminuzione dei fenomeni di fatica a cui è sottoposta. Per la produzione di granulato di gomma  la soluzione maggiormente diffusa è la macinazione meccanica a temperatura ambiente. Il polverino di gomma utilizzato nella sperimentazione è interamente proveniente dalla triturazione di pneumatici di veicoli pesanti forniti gentilmente dalla Ditta Baucina Recycling Tyres in provincia di Palermo. Per effettuare il mix design volumetrico indicato da Superpave, si è fatto uso del compattatore giratorio e di fustelle 150x250mm. Superpave prescrive la percentuale ottimale di bitume in relazione alla percentuale dei vuoti valutata in corrispondenza della energia di compattazione di progetto, Ndes. In particolare, il valore dipende dal livello di traffico di progetto e dalla temperatura massima dell’aria. Lo scopo dello studio è presentare un nuovo approccio per ricavare I parametri energetici secondo la metodologia Superpave in ambito ferroviario. Cio è stato possibile attraverso un confronto tra le sollecitazioni trasmesse nel sub-ballast e in una base stradale, e la valutazione della temperature. Poi, ho sviluppato come trasformare gli spettri di traffico giornalero in numero di Resals per un caso-studio Siciliano.Per la determinazione del RESAL ferroviario sono state modellate due sezioni di riferimento, una per il caso stradale e uno per quello ferroviario. Il comportamento sforzo-deformazione in entrambe le sezioni, è stato calcolato utilizzando simulazioni attraverso programmi di calcolo. KENPAVE® è un software che calcola sollecitazioni in pavimentazioni stradali flessibili e rigide. KENTRACK® è il software corrispondente utilizzato per l'analisi e la progettazione della sovrastruttura ferroviaria. Il programma applica la teoria multistrato di Burmister e il metodo degli elementi finiti per la modellazione dell’armamento. Le simulazioni con entrambi i software sono state effettuate considerando la temperatura dell'aria uguale a 0 ° C (rappresentativi delle basse temperature) e 35 ° C (rappresentativi delle alte temperature). I modelli teorici utilizzati per la valutazione di tali temperature sono quello di Barber per la strada e quello di Crispino per la ferrovia. Fessurazione per fatica a basse temperature e «rutting» ad alte temperature sono due delle più comuni cause di danni in pavimentazioni flessibili. Per questo motivo, nel contesto di questo lavoro, il RESAL ferroviario è stato definito come il carico sull'asse ferroviario che produce lo stesso spostamento verticale (w) a temperature elevate e la stessa trazione-deformazione orizzontale (ɛt) a basse temperature prodotte dal ESAL nella struttura stradale. Come carico per asse per la strada è stato schelto quello di 8ton e quello di 16ton per la ferrovia. Al fine di trovare l’asse ferroviario che produce le stesse sollecitazioni di uno da 80 KN nel caso stradale, diverse simulazioni sono state eseguite utilizzando KENTRACK e KENPAVE. Lo sforzo di trazione e le deformazioni prodotte sono state confrontate. Il carico sull'asse ferroviario che produce lo stesso spostamento verticale alle alte temperature prodotte dal carico sull'asse equivalente nella struttura stradale è pari a 17 t. Il carico sull'asse ferroviario che produce la stessa trazione alle basse temperature prodotte dal carico sull'asse equivalente nella struttura stradale è pari a 15 t. Si è dunque scelto un valore di 16ton per l’asse equivalente ferroviario. L'intero spettro traffico è stato convertito in numero di RESALs per identificare il livello di traffico e di conseguenza il Ndes. Sono state analizzate tre diverse linee appartenenti alla rete ferroviaria siciliana. Il livello di traffico previsto per un periodo di 30 anni per le tre linee è stato considerato tenendo conto di un tasso di accrescimento medio-annuo dell’1%. L’indagine di laboratorio è stata eseguita su due miscele bituminose per subballast ferroviario, la prima è un hot mix asphalt (dense graded) confezionato secondo le prescrizioni del capitolato RFI; le seconda, indicata con le sigle RUMAC, è costituita da una miscela gap-graded dry asphalt rubber ottenuta per sostituzione volumetrica fra 1.5% in peso dell’aggregato lapideo con granulato di gomma.Al fine di verificare l’accettabilità del materiale prescritto dal capitolato dell’Ente Gestore italiano, sono stati, inoltre, eseguiti alcuni test Marshall. Si è utilizato un granulato di gomma al 1.5% per la preparazione della miscela dry tra 0.4 e 4mm. In questa ricerca sono state impiegate due frazioni di gomma vulcanizzata 40-60% da veicoli pesanti. Come richiesto dalle prescrizioni, è stato utilizzato un bitume 50/70. Per la misura della viscosità si è utilizzato un viscosimetro rotazionale digitale Brookfield. I risultati ottenuti dello studio del mix design del conglomerato RFI sono riportati nelle seguenti tabelle e grafici. Nel nostro caso il tenore di legante ottimo è del 4% riferito alla massa dell’aggregato. In corrispondenza il valore dei vuoti a Ndes è del 3%. Il passo successivo è stato quello di costruire le curve di compatazione per ogni tenore di legante confrontando la migliore lavorabilità. Sulla base del mix-design possono essere tratte le seguenti conclusioni: Nuovo approccio per il mix-design volumetrico del sub-ballast;Valori ottimali Ndes e %Va per le miscele sostenibili con gomma.

CHARACTERIZATION OF RUBBERIZED ASPHALT FOR RAILWAY SUB-BALLASTS.

CHARACTERIZATION OF RUBBERIZED ASPHALT FOR RAILWAY SUB-BALLASTS

Martinez Soto, Fernando

Abstract

SCRAP tire rubber (STR) can be incorporated into asphalt mixtures in two different methods, which are referred to as the wet-dry process. The blending of recycled rubber (CRM) with asphalt has been used for years, and several manufacturing processes have been developed in Europe as well as in the USA. The use of a bituminous sub-ballast layer has been pointed out as an exciting alternative to the granular sub-ballast design traditionally applied in most railroad tracks. Frequently, unbound granular materials are replaced by bituminous sub-ballast that provide additional benefits to the subgrade protection. Much research has been conducted on finding other alternative material to be used as a modifier in asphalt mixes to improve its properties. Rubberized asphalt mixtures (RUMAC) are regarded as a proper solution for improving the strength of the rail-track section. In comparison with traditional granular sub-ballast, these materials allow an increase in bearing capacity and excellent protection of the substructure. The recycled rubber has become a significant enhancer of the modified bituminous mixtures, and in this work, it has been shown as a sustainable improvement option in hot mix asphalt (HMA) mixes due to the elastic behavior exposed by the rubber particles especially in reducing the fatigue cracking potential. This thesis presents a laboratory evaluation of the performance of HMA-DRY mixes to study its application as sustainable bituminous sub-ballast manufactured from scrap tires at the end of their service life. To this end, the procedures developed in the Department of Civil Engineering of the University of Palermo during 2014 to 2017, were focused on evaluating the mechanical behavior of bituminous materials in comparison to that presented by conventional sub-ballast. Mechanical performance was examined concerning the primary requirements that need these materials (resistance to energy dissipation, fatigue-cracking strength and, waterproof properties) for their use in railway tracks. Inside the SUP&R ITN project, enrolled as an ESR-8 fellow, the primary purpose of this laboratory research was the application of ambient crumb rubber (0.2mm to 0.4mm) and ground rubber (2mm to 4mm) recycled from discarded truck tires. CRM was processed at a standard temperature (20ºC) inside hot bituminous mixtures (160-220 ºC) as a substitute for 1.5%, 2% and 3% by weight of the total aggregates using the Volumetric Mix-Design gyratory compactor (SGC) and Asphalt Slab Roller Compactor (ASRC). The impact of temperature on the mechanical properties and thermal susceptibility of the railway bituminous sub-ballast layer has served as motivation to develop the advanced measurement of the thermal cycles inside the rail track. Different simulations following the AASHTO Mechanistic calibrated model with Kentrack and Kenpave software (Univ. Kentucky) were developed to be effective with the best mix-design for railways. Thermal cycles in this layer and, an evaluation of the characteristic parameters were found. A chapter was then included on the application of the AASHTO mechanistic-empirical pavement design approach to railways, to calculate first strain and deformation parameters, resulting in a rationale for the definition of a Railway Equivalent Standard Axle Load (RESAL) and a design number of gyrations for use with SGC. CRM incorporated into asphalt mixes by using “dry process” method which refers to technology that mixes the fine-ground rubber with the aggregate before mixing it with asphalt binder. Two aggregate gradations were considered under this investigation, dense-graded (asphaltic concrete with 22.4mm nominal maximum aggregate size) and gap-graded (stone mastic asphalt with 31.5mm maximum aggregate size). For each particle size distribution, of an aggregate sieve, the percentages of CRM added varied from 1 to 3% by weight of the total aggregates. RFI Italian standard as grading curve and Superpave gyratory compactor technique as mix-design were used. The UGR_FACT device investigated that RUMAC mixes had shown a higher resistance to fatigue cracking compared to the conventional blend as a performance indicator. The results proved that the rubberized sustainable solution studied can offer advantages such as reducing greenhouse emissions, fuel consumption and, a suitable performance for railways tracks from a mechanical behavior point of view. The purpose of using rubber modifiers in HMA to obtain a stiffer-elastic sustainable material has been achieved for the assessment of its behavior in the sub-ballast layer. The better overall performance and fatigue results obtained were with an amount of 2% of crumb rubber and a 6% of bitumen added.
CARATTERIZZAZIONE DELL’ASFALTO MODIFICATO CON GOMMA RICICLATA PER LO STRATO DI SUB-BALLAST FERROVIARIO
Tesi di dottorato sotto la supervisione del professore Gaetano di Mino del Dipartimento di Ingegneria Civile di Palermo), come borsista Marie-Curie all'interno del progetto SUPRITN 2013/2017. Il mio lavoro e la linea della ricerca riguarda i conglomerati bituminosi con granulato di gomma per lo strato di sub-ballast nelle linee ferroviarie. L’attività di ricerca comprende il mix-design dell’asfalto con aggiunta di gomma, la caratterizzazione e le prestazioni per la ferrovia in termini di comportamento meccanico e lo smorzamento delle vibrazioni. In particolare con l’avvento dell’alta velocità, diversi studi hanno evidenziato ottime caratteristiche fisico-meccaniche per ciò che riguarda il conglomerato bituminoso con gomma naturale. Gli effetti benefici riguardano soprattutto l’abbattimento delle tensioni di trazione nella massicciata, la riduzione del degrado sovrastrutturale e la conseguente diminuzione dei fenomeni di fatica a cui è sottoposta. Per la produzione di granulato di gomma  la soluzione maggiormente diffusa è la macinazione meccanica a temperatura ambiente. Il polverino di gomma utilizzato nella sperimentazione è interamente proveniente dalla triturazione di pneumatici di veicoli pesanti forniti gentilmente dalla Ditta Baucina Recycling Tyres in provincia di Palermo. Per effettuare il mix design volumetrico indicato da Superpave, si è fatto uso del compattatore giratorio e di fustelle 150x250mm. Superpave prescrive la percentuale ottimale di bitume in relazione alla percentuale dei vuoti valutata in corrispondenza della energia di compattazione di progetto, Ndes. In particolare, il valore dipende dal livello di traffico di progetto e dalla temperatura massima dell’aria. Lo scopo dello studio è presentare un nuovo approccio per ricavare I parametri energetici secondo la metodologia Superpave in ambito ferroviario. Cio è stato possibile attraverso un confronto tra le sollecitazioni trasmesse nel sub-ballast e in una base stradale, e la valutazione della temperature. Poi, ho sviluppato come trasformare gli spettri di traffico giornalero in numero di Resals per un caso-studio Siciliano.Per la determinazione del RESAL ferroviario sono state modellate due sezioni di riferimento, una per il caso stradale e uno per quello ferroviario. Il comportamento sforzo-deformazione in entrambe le sezioni, è stato calcolato utilizzando simulazioni attraverso programmi di calcolo. KENPAVE® è un software che calcola sollecitazioni in pavimentazioni stradali flessibili e rigide. KENTRACK® è il software corrispondente utilizzato per l'analisi e la progettazione della sovrastruttura ferroviaria. Il programma applica la teoria multistrato di Burmister e il metodo degli elementi finiti per la modellazione dell’armamento. Le simulazioni con entrambi i software sono state effettuate considerando la temperatura dell'aria uguale a 0 ° C (rappresentativi delle basse temperature) e 35 ° C (rappresentativi delle alte temperature). I modelli teorici utilizzati per la valutazione di tali temperature sono quello di Barber per la strada e quello di Crispino per la ferrovia. Fessurazione per fatica a basse temperature e «rutting» ad alte temperature sono due delle più comuni cause di danni in pavimentazioni flessibili. Per questo motivo, nel contesto di questo lavoro, il RESAL ferroviario è stato definito come il carico sull'asse ferroviario che produce lo stesso spostamento verticale (w) a temperature elevate e la stessa trazione-deformazione orizzontale (ɛt) a basse temperature prodotte dal ESAL nella struttura stradale. Come carico per asse per la strada è stato schelto quello di 8ton e quello di 16ton per la ferrovia. Al fine di trovare l’asse ferroviario che produce le stesse sollecitazioni di uno da 80 KN nel caso stradale, diverse simulazioni sono state eseguite utilizzando KENTRACK e KENPAVE. Lo sforzo di trazione e le deformazioni prodotte sono state confrontate. Il carico sull'asse ferroviario che produce lo stesso spostamento verticale alle alte temperature prodotte dal carico sull'asse equivalente nella struttura stradale è pari a 17 t. Il carico sull'asse ferroviario che produce la stessa trazione alle basse temperature prodotte dal carico sull'asse equivalente nella struttura stradale è pari a 15 t. Si è dunque scelto un valore di 16ton per l’asse equivalente ferroviario. L'intero spettro traffico è stato convertito in numero di RESALs per identificare il livello di traffico e di conseguenza il Ndes. Sono state analizzate tre diverse linee appartenenti alla rete ferroviaria siciliana. Il livello di traffico previsto per un periodo di 30 anni per le tre linee è stato considerato tenendo conto di un tasso di accrescimento medio-annuo dell’1%. L’indagine di laboratorio è stata eseguita su due miscele bituminose per subballast ferroviario, la prima è un hot mix asphalt (dense graded) confezionato secondo le prescrizioni del capitolato RFI; le seconda, indicata con le sigle RUMAC, è costituita da una miscela gap-graded dry asphalt rubber ottenuta per sostituzione volumetrica fra 1.5% in peso dell’aggregato lapideo con granulato di gomma.Al fine di verificare l’accettabilità del materiale prescritto dal capitolato dell’Ente Gestore italiano, sono stati, inoltre, eseguiti alcuni test Marshall. Si è utilizato un granulato di gomma al 1.5% per la preparazione della miscela dry tra 0.4 e 4mm. In questa ricerca sono state impiegate due frazioni di gomma vulcanizzata 40-60% da veicoli pesanti. Come richiesto dalle prescrizioni, è stato utilizzato un bitume 50/70. Per la misura della viscosità si è utilizzato un viscosimetro rotazionale digitale Brookfield. I risultati ottenuti dello studio del mix design del conglomerato RFI sono riportati nelle seguenti tabelle e grafici. Nel nostro caso il tenore di legante ottimo è del 4% riferito alla massa dell’aggregato. In corrispondenza il valore dei vuoti a Ndes è del 3%. Il passo successivo è stato quello di costruire le curve di compatazione per ogni tenore di legante confrontando la migliore lavorabilità. Sulla base del mix-design possono essere tratte le seguenti conclusioni: Nuovo approccio per il mix-design volumetrico del sub-ballast;Valori ottimali Ndes e %Va per le miscele sostenibili con gomma.
Railway, Bituminous sub-ballast, Granular sub-ballast, Hot mix asphalt, Superpave, Crumb rubber; Temperature profile; ESAL; Traffic spectrum; RUMAC; Marshall; Roads; Compaction; Elasticity; Tensile strain; Fatigue; Swelling and Rebounding effect; Plusride-Generic mixtures.
Ferrovia; Approccio sperimentali; Sub-ballast; Miscele ttoballasto bituminose; Fenomeni vibrazionali; Mix-design volumetrico; Traffico ferroviario; Temperatura; Bitume; Superpave; Gomma riclicata; Simulazione Traffico; Profilo di temperatura; ESAL; Spettro di traffico; RUMAC; Marshall; Strade; Miscellazione-Compattazione; Elasticità; Sforzo di trazione; Fatica; Rigonfiamento; Miscele HMA; Plusride_Generic dry.
CHARACTERIZATION OF RUBBERIZED ASPHALT FOR RAILWAY SUB-BALLASTS.
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(2017) Thesis Fernando M.Soto [UNIPA] Charact. Rubberized Asphalt Railway Sub-ballast.pdf

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