Alkali-activated binders with reclaimed asphalt aggregates as a potential base layer of pavements

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dc.contributor.advisorDen Bregh, Wim Van
dc.contributor.advisor-coBlom, Johan
dc.contributor.advisor-coBezerra, Augusto Cesar da Silva
dc.contributor.advisor-coSantos, Flávio Antônio dos
dc.contributor.advisor-coLatteshttp://lattes.cnpq.br/0783179484317105
dc.contributor.advisor-coLatteshttp://lattes.cnpq.br/5640767093177688
dc.contributor.authorCosta, Juliana Oliveira
dc.contributor.referee1Wim Van den bregh
dc.contributor.referee2Johan Blom
dc.contributor.referee3Augusto Cesar da Silva Bezerra
dc.contributor.referee4Flávio Antônio dos Santos
dc.contributor.referee5João Paulo de Castro Gomes
dc.contributor.referee6Hubert Rahier
dc.date.accessioned2023-06-19T11:21:53Z
dc.date.available2023-06-19T11:21:53Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractThe pavement infrastructure comprises 16.3 million kilometres worldwide, and the pavement-related industrial sectors are said to be responsible for 21% of the global Greenhouse Gas (GHG) emissions worldwide (Plati, 2019). Sustainable actions on materials for those pavement layers mostly consider replacing (i) natural aggregates (NA) with recycled ones and (ii) Portland cement (PC) used as binder/stabiliser with binders with a lower ecological footprint. This research investigates the possibility of incorporating recycled asphalt pavement (RAP) as an aggregate replacement and alkali-activated material (AAM) as Portland cement (PC) replacement in/for base layer materials. So far, most studies focused on the use of RAP and PC or supplementary cementitious materials. The combination of RAP with alkali-activated matrices may be an even more sustainable solution, given that not only the aggregate is recycled, but also PC is absent from the matrix. Properly designed AAMs are stronger and more durable than PC-based materials. It is, therefore, very likely that the employment of RAP in AAM will result in materials that achieve the minimum requirements for road applications. This research produced an alkali-activated material containing fine and/or coarse RAP aggregates (RAP-AAM) as a replacement for natural aggregates to be used as base layers of pavements. The main objective of this thesis is to determine whether AAM can incorporate high amounts of RAP and be used as pavement base layers without compromising mechanical and durability performance. During this research, two innovative characterization methods were used as an alternative to those often employed for Portland concrete. Firstly, the observation of the interfacial transition zone (ITZ) was improved by combining a laser scanning confocal microscope (LSCM) and a scanning electron microscope (SEM). The combination of both techniques permitted a better observation of the heterogeneous asphalt coating of the RAP particles, the presence of clusters, and cracks at the border and within the activated matrix. Secondly, the thesis proposes an alternative methodology to observe and quantify the shrinkage of RAP-AAM or any other cementitious materials by employing simplified optical imaging. Although this method only allows for the observation of total shrinkage, it is an almost inexpensive method that could give a clear indication of volume changes over time. The experimental data demonstrated that an ideal alkali-activated binder composition to produce RAP-AAM lean concrete would have 10% MK replacement (BFS vol%) and the activator would have 8% Na2O and Ms= 0 (i.e., activated with NaOH and no sodium silicate). This selection was based on the minimum activator amount required to reach the target compressive strength for a weak to medium lean concrete (5 to 10 MPa), while also minimizing the shrinkage effect. The durability assessment to freeze and thaw indicated similar performance for RAP-AAM and reference (RAP-PC). The findings of this research showed that RAPAAM is a promising material for pavement base layers and more investigation is needed on long-term strength and durability.
dc.description.abstractotherA infraestrutura rodoviária global tem 16,3 milhões de quilômetros e, em conjunto com os setores industriais relacionados, são responsáveis por 21% das emissões globais de gases de efeito estufa (Plati, 2019). As principais considerações visando um aumento da sustentabilidade dessas camadas de pavimento são a substituição (i) de agregados naturais (NA) por reciclados e (ii) de cimento Portland (PC) usado como ligante/estabilizador por ligantes alternativos de menor impacto ambiental. Esta pesquisa investiga a possibilidade de incorporar o pavimento asfáltico fresado (RAP) como um substituto de NA e materiais álcali-ativados (AAM) como substitutos do cimento Portland (PC) em/ para materiais de base. Até agora, a maioria dos estudos concentrou-se no uso de RAP e PC ou materiais cimentícios suplementares. A combinação de RAP com AAM pode ser uma solução ainda mais sustentável, visto que não apenas o agregado é reciclado, mas também o PC está ausente da matriz. Os AAM quando adequadamente projetados são mais resistentes e apresentam maior durabilidade do que os materiais baseados em PC. É, portanto, muito provável que o emprego de RAP no AAM resulte em materiais que atinjam os requisitos mínimos para aplicações rodoviárias. Esta pesquisa produziu um material alcalino ativado contendo agregados de RAP (RAP-AAM) como um substituto para os agregados naturais a serem usados como camadas de base de pavimentos. O principal objetivo desta tese é determinar se o AAM pode incorporar grandes quantidades de RAP e ser usado como camadas de base de pavimento sem comprometer o desempenho mecânico e a durabilidade. Durante esta pesquisa, dois métodos inovadores de caracterização foram utilizados. Primeiramente, a observação da zona de transição interfacial (ITZ) foi melhorada pelo uso combinado de um microscópio confocal de varredura a laser (LSCM) e um microscópio eletrônico de varredura (SEM). A combinação de ambas as técnicas permitiu uma melhor observação da composição heterogenia das partículas RAP, e fissuras na borda e dentro da matriz ativada. Em segundo lugar, a tese propõe uma metodologia alternativa para observar e quantificar a retração do RAP-AAM ou qualquer outro material cimentício, empregando análise de imagens. Embora este método só permita a observação da retração total, é um método de baixo custo que pode dar uma indicação clara das mudanças de volume ao longo do tempo. Os dados experimentais demonstraram que a composição ideal de ligante ativado para produzir concreto magro RAP-AAM possui 10% em volume de metacaulim em substituição a escória de alto-forno como ligante e o ativador possui 8% de Na2O na forma de NaOH (sem silicato de sódio). Esta seleção foi baseada na quantidade mínima de ativador necessária para atingir uma resistência a compressão entre 5 e 10 MPa, e minimizando o efeito de retração. A avaliação de durabilidade a gelo/ desgelo indicou um desempenho semelhante para RAP-AAM ao da amostra de referência (RAP-PC). Os resultados desta pesquisa mostraram que o RAP-AAM é um material promissor para as camadas de base do pavimento e mais investigações são necessárias para melhor entendimento de suas propriedades a longo prazo.
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br/handle/123456789/292
dc.language.isoen
dc.publisherCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.initialsCEFET-MG
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil
dc.subjectPavimentos de asfalto - Reaproveitamento
dc.subjectMateriais de construção
dc.subjectPolímeros
dc.titleAlkali-activated binders with reclaimed asphalt aggregates as a potential base layer of pavements
dc.typeThesis
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