Analysis of physicochemical interaction between the components of asphalt mixtures with rubber

Tese de Doutoramento em Engenharia CivilEarth is full of resources; in reality there is no waste, what sometimes happens is a lack of knowledge and ability to transform that waste into valuable materials. The present work can be a good example of how waste can be transformed into a needed construction material. Asphalt is the most common binder material in road construction. However, the need for more durable and safer road pavements requires a better understanding of asphalt concerning its aging mechanisms, and how its characteristics can be improved by the addition of polymers. Despite asphalt modified with crumb rubber from used tires has been applied with great success all over the world since the sixties, the phenomena of interaction between the asphalt and rubber are not yet fully understood. The bio-oil produced by fast pyrolysis of organic materials is commercially available for over a decade. This material has been mainly used as fuel, in the same way as petroleum. However, its properties are similar to those of asphalt and it may prove to be an excellent substitute. In this thesis the mechanisms of aging of asphalt and its interaction with rubber were studied, so that this knowledge could be applied to produce an alternative binder comprising bio-oil and rubber. Thus, the work began with the study of the effects of asphalt aging in its rheological properties, in order to further understand and distinguish aging from changes in the asphalt caused by the interaction with rubber, and the effect of the asphalt on rubber particles. Processes developed for the production and investigation of various asphalt rubber components were applied in the production and study of the bio-binder (bio-oil rubber). This part of the work resulted in the production of a binder with appropriate characteristics, suggesting that it would be suitable for paving in a wide range of temperatures. Finally, this bio-binder was blended with conventional asphalt and two mixes were designed, compacted and their characteristics studied. The results showed that these mixes have excellent characteristics to be used in pavement construction.A terra está repleta de recursos; na realidade não há resíduos, o que por vezes falta é conhecimento e capacidade para transformar os desperdícios de uns em valiosos materiais para outros. O presente trabalho pode ser um bom exemplo desta realidade. O ligante mais comum em construção de estradas é o betume. No entanto, a necessidade de pavimentos rodoviários mais duráveis e seguros impõem um melhor conhecimento do betume no que diz respeito ao seu envelhecimento e à melhoria das suas características através da adição de polímeros. Apesar do betume modificado com granulado de borracha de pneus usados ser aplicado com grande sucesso em todo o mundo desde os anos sessenta, os fenómenos de interação entre o betume e a borracha ainda não se encontram totalmente clarificados. O bio-óleo resultante da pirólise rápida de materiais orgânicos está disponível no mercado há mais de uma década. Este material tem sido maioritariamente usado como combustível, tal como acontece com o petróleo. No entanto, este possui propriedades semelhantes ao betume e pode vir a ser um excelente substituto. Neste trabalho pretende-se estudar os mecanismos de envelhecimento do betume e a forma como este interage com a borracha de forma a poder aplicar estes conhecimentos à produção de um ligante alternativo constituído por bio-óleo e borracha. Assim, iniciou-se o trabalho pelo estudo dos efeitos do envelhecimento do betume nas suas propriedades reológicas, de forma a posteriormente compreender e distinguir o envelhecimento das alterações no betume provocadas pela interação com a borracha, assim como o efeito do betume sobre as partículas de borracha. Os processos desenvolvidos para a produção e estudo dos vários componentes do betume borracha foram aplicados na produção e estudo do bio-ligante (bio-óleo com borracha). Esta primeira parte do estudo resultou na produção de um ligante com características adequadas que sugeriam que este seria um ligante adequado para pavimentação numa larga gama de temperaturas. Por fim foi estudada a combinação deste ligante com o betume tradicional, e foram produzidas misturas que revelaram ter ótimas características para construção de pavimentos.PhD Thesis funded by the Portuguese Government and by the European Social Fund of the European Union (UE/FSE) through the Portuguese Foundation for Science and Technology ( FCT) with the grant SFRH/BD/72169/2010, and in the scope of the Operational Programme for Human Potential inscribed in the National Strategic Reference Framework (POPH/QREN) for the period 2007-2013