Properties characterization of waste and regenerated rubber-reinforced asphalts using advanced experimental and computational techniques

Asphalt materials are widely used in pavement structures, and their performance directly influences the safety and comfort of highway users. Nevertheless, various pavement distresses continue to emerge during the service life, motivating engineers to investigate the use of different additives to reinforce its performance. Among these additives, waste and regenerated rubber has been recognized as an effective and reliable solution. Its incorporation into asphalt materials can not only improve the road performance but also promote the reuse of waste tires. This practice contributes to the development of eco-friendly road and helps to create a more sustainable world. The current research on asphalt materials predominantly focuses on the laboratory-based experimental evaluations, which are insufficient for the mechanism analyses and numerical investigations. Consequently, this thesis aims to propose a general framework for the design and modeling of asphalts to characterize the properties of waste and regenerated rubber reinforced asphalt materials (WRAMs) through a combination of advanced experimental and computational techniques. Firstly, this research conducts systematical experimental analyses of asphalt binders reinforced with various additives, including the waste and regenerated rubber particle and traditional styrene-butadiene-styrene (SBS) polymer etc. In particular, the low temperature performance, medium and high temperature property, frequency-dependent mechanical behavior, fatigue performance, bonding capacity with aggregate, surface free energy/adhesive work, surface microstructure, and chemical functional groups are systematically evaluated using the beam bending rheology test, temperature sweep test, frequency sweep test, time sweep test, binder bond strength test, contact angle test, atomic force microscopy test, and Fourier transform infrared test, respectively. Subsequently, six representative asphalt binders and one type of mixture gradation are selected to prepare asphalt mastics and mixtures, followed by the implementation of dynamic modulus and semi-circular bending tests. Secondly, a simulation platform is developed to numerically characterize the properties of asphalt materials based on advanced computational techniques. From a multiscale perspective, surface layer materials of asphalt pavements can be divided into three distinct scales: binder, mastic, and mixture. For the numerical characterization of binder and mastic, they are considered as homogenized materials, with their viscoelastic parameters deduced through the frequency sweep or dynamic modulus test data. The virtual simulation results are then validated against the experimental data. When it comes to the simulation platform for the asphalt mixture, the two-dimensional virtual meso-structure model is developed. Specifically, it contains a geometry shape data library (GSDL) for aggregates and voids, along with an algorithm system for assembling the virtual mixture. In detail, the virtual asphalt mixture model is composed of aggregates, voids, and asphalt mastic. Thirdly, the numerical meso-structure model of the asphalt mixture, considering the viscoelastic and elastic behaviors of various representative volume elements (RVEs), is generated using the aforementioned simulation platform. It is then verified through the virtual dynamic modulus simulations via the finite element method (FEM). Subsequently, the computational homogenization analysis of the virtual mixture is conducted to determine the most appropriate scaled sizes for the model. Then, the advanced deep learning approach and physics-informed neural network are utilized to predict the homogenized moduli of the meso-structure models. Furthermore, the cracking simulations of mixtures are conducted using the bilinear cohesive element method, from both meso-structural and homogenized perspectives. Concurrently, the cracking behaviors of the homogenized mixture simulated via the extended finite element method (XFEM) are compared with the results obtained from the bilinear cohesive approach. Additionally, the generation and simulation of the three-dimensional meso-structure model of the mixture are also explored. This study has both theoretical and practical significance for the properties characterization of waste and regenerated rubber reinforced asphalt materials. It not only provides valuable guidance for the design of WRAMs, but also promotes the recycling of waste materials, contributing to the development of sustainable and green infrastructure.

I materiali bituminosi sono ampiamente utilizzati nelle strutture stradali e le loro prestazioni influenzano direttamente la sicurezza e il comfort degli utenti della strada. Tuttavia, durante la vita utile delle pavimentazioni continuano a manifestarsi diversi tipi di degrado, spingendo gli ingegneri a studiare l'utilizzo di vari additivi per migliorarne le prestazioni. Tra questi additivi, la gomma di scarto e rigenerata si è dimostrata una soluzione efficace e affidabile. La sua incorporazione nei materiali bituminosi non solo migliora le prestazioni stradali, ma promuove anche il riutilizzo degli pneumatici di scarto. Questa pratica contribuisce allo sviluppo di strade ecocompatibili e aiuta a creare un mondo più sostenibile. L'attuale ricerca sui materiali bituminosi si concentra prevalentemente su valutazioni sperimentali di laboratorio, che risultano insufficienti per le analisi dei meccanismi e le indagini numeriche. Di conseguenza, questa tesi si propone di proporre un quadro generale per la progettazione e la modellazione degli asfalti al fine di caratterizzare le proprietà dei materiali bituminosi rinforzati con gomma di scarto e rigenerata (WRAM) attraverso una combinazione di tecniche sperimentali e computazionali avanzate. In primo luogo, questa ricerca conduce analisi sperimentali sistematiche di leganti bituminosi rinforzati con vari additivi, tra cui particelle di gomma riciclata e rigenerata e il tradizionale polimero stirene-butadiene-stirene (SBS). In particolare, le prestazioni a bassa temperatura, le proprietà a media e alta temperatura, il comportamento meccanico dipendente dalla frequenza, le prestazioni a fatica, la capacità di adesione con l'aggregato, l'energia libera superficiale/lavoro adesivo, la microstruttura superficiale e i gruppi funzionali chimici vengono valutati sistematicamente utilizzando rispettivamente il test al reometro a trave inflessa (BBR), il test di scansione della temperatura, il test di scansione della frequenza, il test di scansione temporale, il test di resistenza del legame del legante, il test dell'angolo di contatto, il test di microscopia a forza atomica e il test a infrarossi a trasformata di Fourier. Successivamente, vengono selezionati sei leganti bituminosi rappresentativi e un tipo di granulometria della miscela per preparare mastici e miscele bituminose, seguiti dall'esecuzione di test di modulo dinamico e di flessione semicircolare. In secondo luogo, viene sviluppata una piattaforma di simulazione per caratterizzare numericamente le proprietà dei materiali bituminosi sulla base di tecniche computazionali avanzate. Da una prospettiva multiscala, i materiali dello strato superficiale delle pavimentazioni in asfalto possono essere suddivisi in tre scale distinte: legante, mastice e miscela. Per la caratterizzazione numerica del legante e del mastice, questi vengono considerati come materiali omogeneizzati, con i loro parametri viscoelastici dedotti dai dati di sweep di frequenza o di test del modulo dinamico. I risultati della simulazione virtuale vengono quindi validati rispetto ai dati sperimentali. Per quanto riguarda la piattaforma di simulazione per la miscela bituminosa, viene sviluppato un modello di mesostruttura virtuale bidimensionale. Nello specifico, esso contiene una libreria di dati geometrici (GSDL) per aggregati e vuoti, insieme a un sistema algoritmico per l'assemblaggio della miscela virtuale. Nel dettaglio, il modello virtuale della miscela bituminosa è composto da aggregati, vuoti e mastice bituminoso. In terzo luogo, il modello numerico della mesostruttura della miscela bituminosa, considerando i comportamenti viscoelastici ed elastici di vari elementi di volume rappresentativi (RVE), viene generato utilizzando la suddetta piattaforma di simulazione. Viene quindi verificato tramite simulazioni virtuali del modulo dinamico mediante il metodo degli elementi finiti (FEM). Successivamente, viene condotta un'analisi di omogeneizzazione computazionale della miscela virtuale per determinare le dimensioni scalate più appropriate per il modello. In seguito, vengono utilizzati un approccio avanzato di deep learning e una rete neurale informata dalla fisica per prevedere i moduli omogeneizzati dei modelli di mesostruttura. Inoltre, vengono eseguite simulazioni di fessurazione delle miscele utilizzando il metodo degli elementi coesivi bilineari, sia dal punto di vista mesostrutturale che omogeneizzato. Contemporaneamente, i comportamenti di fessurazione della miscela omogeneizzata simulati tramite il metodo degli elementi finiti esteso (XFEM) vengono confrontati con i risultati ottenuti dall'approccio coesivo bilineare. Infine, viene esplorata anche la generazione e la simulazione del modello tridimensionale di mesostruttura della miscela. Questo studio ha un significato sia teorico che pratico per la caratterizzazione delle proprietà dei materiali bituminosi rinforzati con gomma di scarto e rigenerata. Non solo fornisce una guida preziosa per la progettazione di WRAM, ma promuove anche il riciclo dei materiali di scarto, contribuendo allo sviluppo di infrastrutture sostenibili e verdi.