A design function for bitumen stabilised material performance based on laboratory and field evaluation

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2018.ENGLISH ABSTRACT: The use of stabilised granular materials for road pavements are ever increasing throughout South Africa. There are currently two commonly used methods for the stabilisation of granular materials in road construction. The first method is stabilisation with cement or lime to create a cemented layer with increased tensile strength. The second is stabilisation with bitumen and an active filler to create Bitumen Stabilised Material (BSM). BSMs are constructed by stabilising granular material using either foamed bitumen or bitumen emulsion. Unlike asphalt where all the aggregate is coated with bitumen, the bitumen in a BSM is dispersed among the fine particles of the aggregate. When a BSM is compacted, the bitumen-rich fines are forced against each other resulting in localised bonds (spot welds). This produces a material with improved engineering properties. Although the material is treated with a binder, it fails in permanent deformation similar to a granular material. The need for improved design methods for BSMs is driven by the increased use of this material by the industry. This study aims to produce a mechanistic-empirical design function for BSMs which relates the mechanical properties to in-field performance. This function can then be used to design BSMs based on material properties and stress conditions. The new transfer function for BSMs has similar architecture to the function developed for waterbound macadam by Theyse et al. (2000). This function calculates the number of load repetitions the layer can sustain before a specified limit of permanent strain is reached. The function was altered to incorporate material properties that are specified for the design of BSMs. The factors influencing the new BSM transfer function are density, moisture susceptibility, deviator stress ratio and the permanent strain limit. Data was gathered from fourteen pavement structures that formed part of a long-term pavement performance study. These pavements incorporate BSM base or subbase layers and were analysed at different stages of their design lives. The data obtained from these studies was used to calibrate the new transfer function for BSMs. The calibrated transfer function was adjusted to predict the data at a range of reliabilities i.e. 95%, 90%, 80% and 50%. These reliabilities were based on the required reliability levels of the design categories. The new transfer function was validated by investigating its ability to predict the life of a BSM that did not form part of the calibration process. The N7 highway near Cape Town was selected for the comparison as a substantial body of information was available to investigate the effect of the different factors on the transfer function. FWD data was obtained from the N7 at different points in time. Back calculation of layer stiffnesses allowed insight into the resilient modulus development of the BSM. Cores were drilled from this pavement for triaxial testing. The triaxial tests provide insight into the shear properties of the base layer. The shear properties and stiffnesses obtained from the triaxial tests show that this base layer does not behave like a typical BSM. It was, however, still used for validation as it provides valuable information into the transfer function’s sensitivity to these factors. The new transfer function was compared to other design methods to validate its predictions. The function was found to produce less conservative results at lower stress ratios. The function showed significant sensitivity to the deviator stress ratio induced by loading. In conclusion, the new transfer function for BSMs was calibrated to best describe the data from the fourteen long-term studies. The function was altered for design by adjusting it to different levels of reliability. Limits were recommended on the minimum and maximum values for the input variables to ensure a realistic result. The validation of the function yielded representative and realistic results.AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gebruik van gestabiliseerde materiale in plaveisels word toenemend in Suid-Afika in werking gestel. Daar is tans twee metodes vir die stabilisering van granulˆere materiale wat algemeen gebruik word in padkonstruksie. Die eerste metode is sement- of kalkstabilisering om ’n gesementeerde laag te skep met ’n verbeterde treksterkte. Die tweede metode is stabilisering deur middel van bitumen en ’n aktiewe vuller om ’n bitumen gestabiliseerde materiaal (Engels: Bitumen Stabilised Materials (BSMs)) te skep. Bitumen Getabiliseerde Materiale word saamgestel deur granulˆre materiale te stabiliseer deur ´of skuimbitumen ´of ’n bitumen-emulsie te gebruik. In teenstelling met asfalt waar al die aggregaat totaal met bitumen bedek is, word die bitumen in BSMs eweredig versprei tussen die fyn deeltjies van die aggregaat. Wanneer BSMs gekompakteer word, word die bitumenryke fynfraksies teen mekaar vas gedwing, wat manifesteer in gelokaliseerde lasverbindings. Dit lewer ’n materiaal met verhoogde en verbeterde ingenieurskenmerke. Alhoewel die materiaal met ’n bindmiddel behandel word, faal dit op soortgelyke wyse as ’n korrelmateriaal in permanente deformasie. Die behoefte aan verbeterde ontwerpmetodes vir BSMs word gedryf deur die toenemende gebruik van di´e materiaal in die padboubedryf. Hierdie studie het ten doel om ’n meganies-empiriese ontwerpfunksie daar te stel wat die meganiese eienskappe in verhouding sal stel tot waargeneemde werksverrigting. Die funksie kan dan gebruik word om BSMs te ontwerp gebaseer op materaaleienskappe en spanningstoestande. Die nuwe oordragsfunksie vir BSMs is gebaseer op die funksie wat ontwikkel is vir ”waterbound macadam” deur Theyse et al. (2000). Hierdie funksie bereken die aantal lasherhalings wat die laag kan dra voordat ’n gespesifiseerde limiet van permanente vervorming bereik word. Die funksie is ontwikkel om materiaaleienskappe in te sluit wat gespesifiseer is vir die ontwerp van BSMs. Die faktore wat die nuwe BSM oordragfunksie benvloed is digtheid, sensitiwiteit vir vog, afwykingspanningverhouding en die permanente vervorming limiet. Data is versamel uit veertien plaveisels wat deel gevorm het van ’n langtermyn plaveisel gedrag studie. Hierdie plaveisels gebruik BSM basis- of sub-basislae en is ontleed in verskillende stadiums van die pad se ontwerpleeftyd. Die inligting wat verkry is uit hierdie studies is gebruik om die nuwe oordragsfunksie vir BSMs te kalibreer. Die gekalibreerde oordragsfunksie is verstel om die inligtingsdata oor ’n reeks van betroubaarheidsvlakke te voorspel. Hierdie betroubaarheidsvlakke is gebaseer op die vereiste vlakke van betroubaarheid van die ontwerpkategorie. Die oordragfunksie is daarom gekalibreer tot betroubaarheidsvlakke van 95%, 90%, 80% en 50%. Die geldigheid van die nuwe oordragsfunksie is bepaal deur die funksie se vermo¨e om die lewensduur van ’n BSM laag, wat nie vir kalibrering gebruik is nie, te voorspel. Die N7-snelweg naby Kaapstad is gekies vir die vergelykende studie, omdat dit ’n groot hoeveelheid inligting kon verskaf om die effek van die verskillkende faktore op die funksie te ondersoek. FWD data is op verskillende tydstippe vanaf die N7 verkry. Terugberekening van laagstyfhede het insig verskaf rakende die styfheidsontwikkeling van BSMs. Kerne is uit die oppervlakke geboor vir drie-assige toetsing. Die drie-assige toetse het insig verskaf rakende die skuif eienskappe van die basislaag. Die skuif eienskappe en laagstyfhede wat verkry is uit die drie-assige toetse het gewys dat hierdie basislaag nie reageer soos ’n tipiese BSM nie. Dit is nogtans gebruik om geldigheid te bepaal, omdat dit waardevolle inligting verskaf het met betrekking tot die oordragsfunksie se sensitiweit vir hierdie faktore. Die nuut ontwikkelde oordragsfunksie is getoets teen ander ontwerpmetodes om die funksie se voorspellings te valideer. Daar is bevind dat die funksie minder konserwatiewe resultate lewer by lae stresverhoudings. Die funksie het beduidende gevoeligheid getoon vir lading-geinduseerde afwykingspanningverhouding. Laastens is die nuwe oordragsfunksie gekalibreer om die data te verkry van die veertien langtermynstudies ten beste te beskryf. Die funksie is aangepas vir ontwerp doeleindes deur dit aan te pas by verskillende vlakke van betroubaarheid. Limiete is aanbeveel vir die minimum en maksimum waardes van inleesdata om ’n realistiese resultaat te verseker. Die funksie is geldig bevind, en daar is getoon dat dit op voorspelbare en verteenwoordigende wyse reageer op die die veranderinge in die materiaal